Optique non linéaire

La lumière est associée à un champ électromagnétique, avec une composante électrique et une composante magnétique. D’autres champs électriques existent, de diverses origines, pouvant provenir de la structure interne de certains matériaux ou bien résulter de l’application d’une tension.
L'optique non linéaire au sens large regroupe l'ensemble des phénomènes optiques présentant une réponse non linéaire par rapport à ces champs électriques. S’il s’agit d’une interaction entre le champ électromagnétique et un champ appliqué, on parle d’effets électro-optiques. S’il s’agit d’effets non linéaires liés uniquement à des champs électromagnétiques, on parle alors d’optique non linéaire au sens strict, avec des conversions de longueurs d’onde (génération d’harmoniques, fluorescence paramétrique) ou encore des effets de variation d’indices entraînant l’auto-focalisation ou l’auto-défocalisation d’un faisceau, etc…
Au CRHEA on s’intéresse principalement à la conversion de longueur d’onde résultant d'un effet non linéaire d'ordre 2 : génération de seconde harmonique, de somme et de différence de fréquence et fluorescence paramétrique. Dans le premier cas, deux photons hν créent un photon h2ν. Dans le dernier cas, un photon hν se coupe en deux photons hν₁ et hν₂ tels que hν = hν₁ + hν₂.
Ces processus n’interviennent que dans des milieux qui ne possèdent pas de centre de symé?trie, et où, à partir d'un certain niveau d'excitation, la réponse ou polarisation du matériau, présente des termes non linéaires non négligeables et qui peuvent ainsi engendrer des champs électriques nouveaux dont les fréquences sont la somme ou la différence des fréquences des faisceaux incidents.
Au CRHEA, le matériau non linéaire utilisé est le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages (AlGaN) et les recherches portent principalement sur la génération de seconde harmonique. Un objectif important est de profiter de la transparence de ces matériaux dans l’ultraviolet pour réaliser des sources UV cohérentes en partant de laser visibles facilement accessibles tels que les diodes lasers InGaN entre 400 et 500 nm. La conversion non linéaire est obtenue par interaction entre les modes se propageant dans des structures fines appelées guides d'ondes dans lesquels ont peut atteindre de forte densité de puissance pour des puissances incidentes relativement faibles.
Pour la réalisation expérimentale, la première difficulté est d’obtenir des guides à faibles pertes à la propagation (<1dB/cm). Dans le visible, la diffusion par la rugosité des interfaces et surfaces devient un problème sévère. Nous avons établi que cette diffusion est le facteur limitant si on ne prend pas un soin particulier pour obtenir des surfaces lisses. Nous avons aussi établi que les couches avec des densités de dislocations importantes comme les premières couches de nitrures sur saphir ou sur Si introduisent des pertes importantes. Au final, nous avons mis au point une technique qui combine l’épitaxie par jets moléculaires et l’épitaxie en phase vapeur et qui permet de réduire au minimum la rugosité à grande échelle et à petite échelle, et nous avons obtenu des pertes inférieures à 1 dB/cm pour le mode fondamental et à peine plus pour les ordres supérieurs.

La deuxième difficulté est d'obtenir l’accord de phase entre les modes couplés par l'effet non linéaire. La génération de seconde harmonique se fait tout au long du guide, et il faut veiller à ce qu'au bout d'une certaine distance de propagation, l’onde harmonique créée au début du guide ne se retrouve pas en opposition de phase avec l’harmonique générée en ce point. Il faut donc trouver un moyen pour que l’onde initiale et l’harmonique se propagent à la même vitesse, avec le même indice optique. L’indice variant avec la longueur d’onde, le problème paraît insoluble. Mais on peut tirer parti de la variation de l’indice avec d’autres facteurs, comme la forme du mode optique, pour contre-balancer la variation avec la longueur d’onde : c’est l’accord de phase modal. Dans les guides GaN/AlGaN, on peut trouver un tel accord de phase modal. On peut aussi le trouver dans des microdisques avec les modes qui se propagent à la périphérie du disque (modes de galerie). On peut enfin le trouver dans des cavités résonnantes telles que les cristaux photoniques. Toutes ces structures ont été étudiées et ont permis de démontrer la génération de seconde (voire troisième) harmonique. Pour l’heure, les meilleurs rendements de conversion ont été obtenus dans des guides d'onde et sont de l’ordre de 2%.