Génération de seconde harmonique

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Ne doit pas être confondu avec Absorption à deux photons.
Niveaux d'énergie impliqués dans la création de shg

La génération de seconde harmonique (GSH ou SHG en anglais, également appelé doublage de fréquence) est un phénomène d'optique non linéaire dans lequel des photons interagissant avec un matériau non linéaire sont combinés pour former de nouveaux photons avec le double de l'énergie, donc avec le double de la fréquence ou la moitié de la longueur d'onde des photons initiaux. La génération de second harmonique, en tant qu'effet optique non linéaire d'ordre pair, n'est autorisée que dans les milieux sans centre d'inversion [1].

C'est un cas particulier de génération de somme de fréquence. La génération d'harmonique moitié (en)(un cas particulier de conversion spontanée basse) est son processus inverse, où un seul photon conduit à une paire de photons ayant chacun la moitié de l'énergie incidente (et donc la moitié de la fréquence), et se produit en parallèle de la GSH, avec une probabilité plus faible cependant [2].

Schéma de la conversion d'une onde excitatrice en SHG dans un milieu non linéaire

Ce phénomène, découvert peu après le laser à rubis, est encore très utilisé aujourd'hui pour augmenter la fréquence des lasers visibles vers l'ultraviolet ou les rayons X faibles[3].

Le doublage de fréquence est également un processus de communication radio; il a été développé au début du XXe siècle et a été utilisé avec des fréquences de l'ordre du mégahertz (MHz), comme un cas particulier de multiplication de fréquence (en).

Un électron (violet) est mis en mouvement par un champ oscillant sinusoïdale, le champ électrique lumineux excitateur. Mais parce que l'électron est dans un environnement d'énergie potentielle anharmonique (courbe noire), le mouvement des électrons est "non" sinusoïdal. Les trois flèches montrent la décomposition en série de Fourier du mouvement: La flèche bleue correspond à la susceptibilité ordinaire (linéaire), la flèche verte correspond à la génération du second harmonique et la flèche rouge correspond à la rectification optique.

Principe[modifier | modifier le code]

La lumière incidente sur un milieu interagit avec celui-ci. Pour les intensités usuelles ces interactions sont dites linéaires et produisent par exemple la réfraction. Dans le cas des fortes intensités, découvertes avec la technologie du laser et les fortes puissances de crêtes qu'ils permettent d'atteindre. Les effets non linéaires interviennent dès lors que l'on atteint des densités de puissance de l'ordre de 1 × 105 W cm−2[4].

La génération de seconde harmonique appartient à la classe des effets non linéaires de second ordre[5].

L'onde incidente possède une énergie qui va induire dans le matériau une polarisation . On obtient alors un champ de polarisation et une polarisation par une onde de fréquence deux fois plus grande que celle incidente[3]. L'onde de fréquence double aura une polarisation différente de celle de l'onde incidente[6].

Accord de phase[modifier | modifier le code]

Différents types de génération de seconde harmonique par accord de phase.

Une forte conversion peut être obtenue si l'accord de phase est réalisé. En général dans un cristal, les ondes fondamentale et seconde harmonique doivent être dans des états de polarisation bien spécifiques pour interférer constructivement et permettre une génération significative. La figure ci-contre montre les trois types possibles de génération dans des milieux biréfringents .

Schéma, une impulsion de fréquence ω arrive sur un cristal non linéaire qui génère une onde résiduelle à ω et une onde à 2ω.
Schéma explicatif du doublage de fréquence. Une impulsion de fréquence ω arrive sur un cristal non linéaire qui génère une onde résiduelle à ω et une onde à 2ω.

Taux de conversion[modifier | modifier le code]

Seulement sous certaines circonstances, le taux de conversion de photons en photons de plus haute énergie est significatif. Les deux conditions fondamentales pour une conversion efficace sont que l'intensité du faisceau pompe soit grande sur une certaine longueur de propagation et que le faisceau à convertir conserve une certaine relation de phase sur cette même longueur (on parle de condition d'accord de phase). Sous des conditions correctement optimisées, il est possible d'obtenir plus de 50 % d'efficacité de conversion (parfois même plus de 80 %) en focalisant un faisceau laser intense dans un cristal non linéaire. Cette technique est largement utilisée, notamment pour générer de la lumière verte à 532 nm à partir d'un laser Nd:YAG infrarouge à 1064 nm. Certains pointeurs laser verts utilisent cette technique.

Tel que mentionné plus haut, une grande efficacité de conversion demande que la lumière fondamentale (à convertir) et la lumière de seconde harmonique (convertie) soient en phase. Ceci n'est pas le cas sans certaines mesures spéciales, car la vitesse de la lumière dans un matériau varie selon la longueur d'onde à cause de la dispersion de l'indice de réfraction. Dans certains cristaux non linéaires, une combinaison particulière de l'orientation du cristal et sa température fait en sorte que, à cause de la biréfringence, la lumière fondamentale et celle de seconde harmonique sont confrontés au même indice de réfraction et restent donc en phase en se propageant. Dans d'autres matériaux non linéaires, où ce phénomène n'est pas possible, on utilise une technique consistant à faire des couches de ces matériaux biréfringents avec différentes orientations pour garder les ondes approximativement en phase. Cette technique augmente grandement les possibilités de doublage de fréquence à des températures et des longueurs d'onde variées.

Matériaux utilisés pour la génération de seconde harmonique[modifier | modifier le code]

Les matériaux capables de générer une seconde harmonique sont les cristaux sans symétrie d'inversion. Cela élimine donc l'eau, les cristaux à symétrie cubique et le verre[3].

Voici quelques matériaux non linéaires utilisés pour doubler la fréquence de la lumière fondamentale de certains lasers :

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) R. Boyd, Nonlinear optics (third edition), , 2 p. (DOI 10.1016/B978-0-12-369470-6.00001-0), « The Nonlinear Optical Susceptibility »
  2. (en) L. Mandel et E. Wolf, Optical Coherence and Quantum Optics, , 1079 p. (DOI 10.1017/CBO9781139644105.023), « Some quantum effects in nonlinear optics »
  3. a b et c //books.google.com/books?id=XZxkppdiWOYC&pg=PA520
  4. //books.google.com/books?id=ieuR4bxA_twC&pg=PA161
  5. //books.google.com/books?id=-U_EnKTYWrMC&pg=PA4
  6. //books.google.com/books?id=-U_EnKTYWrMC&pg=PA41

Voir aussi[modifier | modifier le code]