Sources paramétriques optiques innovantes à base de semiconducteurs isotropes

Abstract

Diverses applications, telles que la détection de polluants ou neurotoxiques, nécessitent de disposer de sources optiques accordables intenses dans l infrarouge (IR) moyen (8 12 m). Une voie bien adaptée pour répondre à ces besoins est d utiliser l optique non linéaire pour convertir vers l IR moyen le rayonnement d un laser émettant dans l IR proche. Cependant, les matériaux non linéaires usuels ne peuvent être utilisés pour la bande 8 12 m car ils absorbent au-delà de 4 m. Afin de s affranchir de cette limitation, nous étudions ici l utilisation des semiconducteurs isotropes comme matériaux non linéaires alternatifs. En effet, ces matériaux (GaAs, ZnSe, etc.) présentent de forts coefficients non linéaires, et sont transparents dans l IR moyen. Comme ces matériaux sont isotropes, des techniques de quasi-accord de phase doivent être mises en place pour une conversion non linéaire efficace. La technique choisie ici est celle de la biréfringence de Fresnel. Nous avons étudié cette technique aussi bien d un point de vue expérimental par des expériences de différence de fréquences dans GaAs entre deux faisceaux proche IR accordables (~1,9 m et 2,4 m), que d un point de vue théorique par le développement de nouveaux modèles prenant en compte tous les processus linéaire et non linéaire intrinsèques à la biréfringence de Fresnel. Enfin, cette technique d accord de phase a été appliquée à l auto-différence de fréquences dans les lasers ZnSe:Cr afin de générer une onde IR moyen à partir d un faisceau pompe unique. L onde à 10 m est alors générée par différence de fréquences entre l onde pompe à 1,9 m et l onde laser émise par les ions Cr2+ autour de 2,3 m.Tunable mid-infrared (IR) sources are of high interest for many applications, including chemical monitoring, gas analysis, remote sensing, and IR countermeasures. A promising way to obtain such mid-IR emission is to use optical sources based on parametric conversion in nonlinear materials. However, apart from few materials (ZnGeP2, AgGaSe2, CdSe, ), most of usual nonlinear materials exhibit strong multiphonon absorption beyond 5 m. Therefore, an important issue is to find adequate materials for the 8 12 m band. In this context, semiconductors of the technological mainstream, such as GaAs or ZnSe, are excellent candidates for mid-infrared parametric generation. Indeed, they display high non linear susceptibility and they are transparent from the near-infrared up to 20 m. However, since these materials are isotropic, quasi-phase-matching techniques have to be implemented to get an efficient conversion. Nonetheless, this limitation can be overcome using Fresnel birefringence that takes place at total internal reflection. We present here an experimental and theoretical study of this phase matching technique : difference frequency generation experiments are carried out and new models are developped to take into account all the physical processes involved. We investigate then self-difference frequency mixing in Cr:ZnSe laser using Fresnel phase matching. Taking advantage of both the lasing and nonlinear properties of this material, we demonstrate that 8 12 m radiation can be produced using a single pump beam at 1.9 m. Subsequently, difference frequency mixing between the 1.9 m pump beam and 2.3 m laser beam produces a mid-IR radiation in the 9 m range.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF