Doubleur de fréquence pour laser femtoseconde titane saphir à 800 nm

Doubleur de fréquence pour laser femtoseconde titane saphir à 800 nm muni d’un cristal doubleur en LBO de 5x5x1 mm monté sur un rail linéaire actionné par un micro moteur piezo électrique. Ce doubleur permet de réaliser des pulses lasers de 90 femtoseconde entre 345 et 520 nm.

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1) Qu’est-ce que c’est:

Un doubleur de fréquence (SHG, second-harmonic generator) transforme la sortie fondamentale d’un Ti:Sapphire centrée ~800 nm en sa seconde harmonique (~400 nm) via un cristal non linéaire (typiquement BBO) monté dans un boîtier d’accessoire : orientation de phase-matching, compenseurs de walk-off, et options THG/FHG/auto-tracking selon les versions. Coherent Inc+1

2) Ce que fait Coherent (produit type : Harmonic Generator / accessoire Mira/Mira-HP)

Points-clés extraits du datasheet Coherent Harmonic Generator (accessoire pour Mira 900 / Mira-HP) :

  • Conçu pour SHG/THG/FHG avec cristaux indexés magnétiquement (changement simple des cristaux).

  • Walk-off compensator pour conserver la circularité du faisceau.

  • Delay compensator pour génération en ligne du THG.

  • Option Autotracker : optimisation automatique du phase-matching quand on change la longueur d’onde d’entrée.

  • Plage d’entrée typique : 680–1080 nm ; sortie SHG autour de 340–540 nm selon configuration. Coherent Inc

Rendements (exemples fournis par Coherent pour 800 nm)

(les chiffres varient selon la source de pompage / modèle)

  • Mira-HP-F (pompe 18 W) : SHG ≈ 40% → ~1.4 W à 400 nm (pour certains réglages).

  • Mira-900-F (10 W pump) : SHG ≈ 40% → 560 mW à 400 nm (exemple donné).

  • Pour versions à plus faible pompe, les pourcentages chutent (voir tableau de Coherent pour valeurs détaillées). Coherent Inc

3) Cristaux et optique non linéaire (aspects physiques importants)

  • Cristal courant : BBO (β-BaB₂O₄) — large bande passante, bonne résistance à la PV et utilisé pour SHG autour de 800→400 nm. La bande passante de phase-matching dépend de l’épaisseur : par ex. BBO 0.15–0.60 mm a une largeur de phase-matching importante (utile pour pulses fs). thorlabs.com

  • Compromis cristal-épaisseur : cristaux plus épais → conversion ↑ mais bande passante (spectrale) ↓ et walk-off temporel ↑ (dégradation pour pulses très courts). Pour pulses femtosecondes il est courant d’utiliser cristaux fins ou des schémas compensés (walk-off compensator). laserfocusworld.com+1

4) Effets spécifiques aux pulses femtosecondes (pratiques et limites)

  • Large bande spectrale d’un pulse fs (ex. 10–100 nm selon la durée) exige un phase-matching large : qui favorise cristaux fins ou doubles-cristaux compensés. Sinon la conversion se réduit et le SHG peut être spectrale­ment étroite. thorlabs.com+1

  • Group velocity mismatch (GVM) et walk-off : séparation temporelle entre fondamental et SH à l’intérieur du cristal → limite la conversion efficace si le pulse est très court ou le cristal trop épais. Les accessoires Coherent incluent des compensateurs pour limiter ces effets. Coherent Inc+1

  • Dispersion & compression : si vous doublez avant un appareil sensible (OPA, expériences de spectroscopie), faites attention à la dispersion introduite et au chirp ; souvent on préfère compenser / gérer la dispersion en amont/aval.

5) Réglages pratiques d’alignement et d’optimisation

  • Taille de waist : il existe un optimum (Boyd-Kleinman) — trop serré → effets de diffusion/dommage ; trop large → conversion faible. Coherent donne des recommandations d’implantation/optique selon le modèle. Coherent Inc

  • Température & orientation du cristal : la phase-matching est obtenu par orientation (angle), parfois par température pour d’autres cristaux ; Coherent utilise des montures magnétiques pour faciliter le changement. Coherent Inc

  • Autotracker utile si vous balayez la longueur d’onde ou si l’alimentation varie — maintient la conversion optimale automatiquement. Coherent Inc

6) Paramètres à demander / vérifier si vous voulez intégrer ou acheter

  • Quel modèle de Ti:Sa (Mira-900 / Mira-HP / Chameleon / Astrella, etc.) — Coherent propose des options compatibles. Coherent Inc+1

  • Puissance d’entrée (mW/W) et répétition (MHz / kHz) — rendements donnés par Coherent dépendent fortement de la pompe et de la config. Coherent Inc

  • Besoin de THG / FHG en plus du SHG ? (accessoire modulaire). Coherent Inc

7) Références utiles (pour lire les fiches techniques complètes)

  • Coherent — Harmonic Generator (datasheet pour Mira 900 / Mira-HP). Coherent Inc

  • Coherent — fiches produit Ti:Sapphire (Mira, Mira-HP, Chameleon, Astrella) selon votre source fondamentale. Coherent Inc+1

  • Thorlabs — spécifications BBO et discussion sur la bande passante/épaisseur (utile pour dimensionner). thorlabs.com

  • Article / revue technique sur la conversion de fréquence et compromis pour fs pulses (revue technique / Laser Focus World)

1. Structure générale

  • Entrée 800 nm (rouge) : le faisceau Ti:saphir arrive ici, généralement polarisé linéairement (p ou s selon le cristal).

  • Sortie 400 nm (bleu) : émission du rayonnement doublé, séparé spatialement du fondamental.

Entre ces deux points, on voit une succession de miroirs diélectriques, un cristal non linéaire et plusieurs optiques de séparation (dichroïques ou filtres).

2. Interprétation du trajet optique

a) Préparation du faisceau (zone entrée)

Les deux premiers miroirs (ceux proches de “entrée 800 nm”) servent à :

  • ajuster l’angle d’incidence vers le cœur du module,

  • centrer et régler la taille du waist dans le cristal.

Le montage est typiquement en configuration de repli pour augmenter la compacité et permettre un alignement fin du faisceau dans le cristal BBO.

b) Interaction non linéaire (zone centrale)

Le faisceau 800 nm passe ensuite dans le cristal BBO (le petit composant monté verticalement ou légèrement incliné, souvent entre deux optiques fines).
→ C’est ici qu’a lieu la génération de la seconde harmonique (SHG) par interaction χ².

Souvent, le cristal est monté sur :

  • une platine rotative (pour l’angle de phase-matching),

  • et un support magnétiquement indexé (pour le remplacement rapide ou le changement d’axe optique).

La zone blanche cylindrique sur ta photo est très probablement un compensateur de walk-off (ou un second cristal monté tête-bêche pour corriger la déviation spatiale entre les deux fréquences).

c) Séparation et extraction

Après la génération, tu observes deux chemins distincts :

  • Ligne bleue (400 nm) : le faisceau doublé est dévié par un miroir dichroïque (haute réflexion à 400 nm, transmission à 800 nm).

  • Ligne orange (800 nm résiduel) : le fondamental continue, souvent absorbé ou dirigé vers un dump optique interne pour éviter les rétro-réflexions.

Le composant rouge à la sortie (avec le connecteur) semble être une fibre optique UV/bleu ou un collimateur de sortie pour amener le 400 nm vers une autre expérience.

3. Points techniques notables

  • Alignement critique : le 800 nm doit être centré avec une incidence quasi-parallèle au plan du cristal pour un bon phase-matching.

  • Polarisation : la conversion BBO est polarisée ; un demi-onde à 800 nm est souvent placé avant l’entrée pour optimiser la direction de polarisation.

  • Séparation spectrale : le dichroïque final doit avoir un R(400 nm) > 99 %, T(800 nm) > 90 %.

  • Sécurité : attention à la puissance UV – même si elle paraît faible, les 400 nm sont invisibles et phototoxiques.

4. En résumé

Élément Rôle principal
Miroirs d’entrée Alignement et réglage du waist
Cristal BBO (ou LBO) Conversion 800 → 400 nm
Compensateur (blanc) Correction du walk-off et maintien du profil spatial
Dichroïque final Séparation 800 / 400 nm
Collimateur rouge Extraction vers fibre ou sortie libre

  • Les GVM utilisés :

    • 800 → 400 nm (BBO) : GVM ≈ 192 fs/mm (valeur tirée de tables fournisseurs / littérature — cohérente avec les tableaux fabricants pour BBO type I). newlightphotonics.com+1

    • 1060 → 530 nm (BBO) : GVM ≈ 120 fs/mm (estimation raisonnable basée sur tables fournisseurs / valeurs commerciales ; la valeur dépend du cut cristallin et du type de phase-matching — voir remarques ci-dessous). eksmaoptics.com+1

Graphique et tableau (résultats)

Je t’ai affiché :

  • un graphique log–log L_max(τ) pour 800 nm et 1060 nm,

  • un tableau d’exemples pratiques (1 μs, 1 ps, 100 fs, 50 fs, 20 fs, 10 fs, 5 fs) avec L_max en mm et un commentaire pratique.

Exemples (extraits du tableau) :

  • 100 fs → L_max ≈ 0.52 mm (800 nm) ; 0.83 mm (1060 nm).

  • 50 fs → L_max ≈ 0.26 mm (800 nm) ; 0.42 mm (1060 nm).

  • 10 fs → L_max ≈ 0.052 mm = 52 µm (800 nm) ; 0.083 mm = 83 µm (1060 nm).

  • 5 fs → L_max ≈ 26 µm (800 nm) ; 42 µm (1060 nm).

Ces valeurs donnent l’échelle à laquelle il faut choisir (ou limiter) l’épaisseur du cristal. Elles concordent qualitativement avec les recommandations des fournisseurs (ex. BBO épaisseur de 0.05–0.5 mm pour pulses de 10–100 fs ; épaisseurs « ultrathin » 10–50 µm pour pulses ~10 fs). eksmaoptics.com+1

Remarques importantes et limites

  1. C’est une estimation de première approximation. Le choix pratique du cristal dépend aussi de :

    • bande-passante spectrale du pulse (phase-matching spectral bandwidth) ; cristaux plus épais réduisent la largeur spectrale efficace → perte pour pulses fs larges ;

    • walk-off spatial (birefringent walk-off) et maniement du profil spatial (compensateurs, configuration double-cristal) ;

    • dispersion du cristal (GVD) qui peut élargir le pulse dans le cristal ; pour pulses très courts la GVD peut aussi devenir limitante ;

    • intensité (efficacité non linéaire croît avec longueur mais sature/dommage si trop long) ;

    • coupe et type de phase-matching (type I vs II, cut angle) qui modifient GVM précis et efficacité.

  2. GVM varie selon la coupe du cristal et la polarisation — les valeurs numériques ci-dessus sont représentatives (et concordent avec tables fabricants), mais pour un dimensionnement final il faut calculer GVM avec les équations de Sellmeier pour la coupe exacte du cristal et la configuration (type I/II). Voir Sellmeier ou tableaux fournisseurs (Eksma, Thorlabs, Newlight, etc.). spiedigitallibrary.org+1

  3. Pour des pulses < ~20 fs, on passe souvent à des cristaux montés très fins (10–50 µm) ou à des schémas compensés (deux cristaux tête-bêche + compensateur temporel) pour récupérer l’efficacité tout en préservant la largeur spectrale. eksmaoptics.com+1

  4. Pour des durées longues (ps → µs), la limite dominante devient plutôt la tolérance angulaire / longueur de cohérence Δk (phase matching) et la transparence (on peut utiliser des cristaux de plusieurs mm voire cm selon application) — la formule τ/GVM devient triviale (donne des longueurs énormes), mais on est alors limité par d’autres effets pratiques.

Sources et lecture conseillée

  • Tables et recommandations fournisseur (EKSMA, Newlight Photonics, Thorlabs, Eksma datasheets) — montrent valeurs de GVM et épaisseurs commerciales pour fs → ps. newlightphotonics.com+2eksmaoptics.com+2

  • Documents théoriques sur GVM / phase-matching et calculs Sellmeier pour BBO si tu veux une valeur précise (selon coupe) : articles SPIE / Optica et mises à jour des Sellmeier.