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Thèse Année : 2023

Evaluation of non-linear crystals for the generation of THz waves by frequency difference under phase matching conditions

Évaluation de cristaux non linéaires pour la génération d'ondes THz par différence de fréquences en conditions d'accord de phase

Théodore Remark
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1321629
  • IdRef : 273201409

Résumé

Energetic emission of a Terahertz (THz) electromagnetic wave, corresponding to wavelengths typically ranging between 15 µm and 3000 µm, is attractive for many applications in the fields of imaging and spectroscopy. Our strategy is to generate THz waves from Difference Frequency Generation (DFG) or Optical Rectification (OR) that are nonlinear processes, by using birefringent crystals pumped in the visible or the infrared range. The aim is to achieve phase-matching conditions to maximize the conversion efficiency.We studied eight crystals identified in previous works: BNA, LBO, YCOB, AGS, CdSe, CSP, ZnO and GaP that were obtained thanks to international collaborations. We also considered two new crystals: CTAS, whose optical properties were characterized for the first time in its ultraviolet-infrared and THz transparency domains; and GeO2, whose linear and nonlinear optical properties were missing in the ultraviolet-infrared transparency domain.The approach was at first theoretical, with calculations of phase-matching conditions. This was achieved by exploiting the index surface of crystals, which depends on their optical class, and equations describing the variation of the principal refractive indices as a function of wavelength. In the ultraviolet-infrared transparency range, these equations are derived from the interpolation of directly measured phase-matching angles or from literature. In THz range, the time-resolved spectroscopy (TDS) technique was used. Then, the approach was experimental, with a setup implemented to generate THz in the ten selected nonlinear crystals. A commercial femtosecond source continuously tunable between 0.48 microns and 2.6 microns was used for the two incident wavelengths of DFG or OR. Optical components were used to transport and focus the THz beam in a bolometer to quantify the energy generated. The need for a suitable detection able to record the spectrum of the THz wave was discussed: we targeted the Fourier transform of the correlation between a probe pulse emitted by the femtosecond source and the THz pulse of picosecond duration, the latter's electric field inducing an electro-optical effect in a ZnTe crystal.
L’émission énergétique d’une onde électromagnétique TéraHertz (THz), qui correspond à des longueurs d’onde comprises typiquement entre 15 µm et 3000 µm, est intéressante pour de nombreuses applications dans les domaines de l’imagerie ou la spectroscopie. La stratégie que nous avons choisie est de générer l’onde THz à partir du processus non linéaire de Génération de Différence de Fréquences (DFG) ou de rectification optique (OR) à l’aide de cristaux biréfringents pompés dans le visible ou l’infra-rouge. Le but est de pouvoir atteindre l’accord de phase de façon à maximiser le rendement de conversion.Nous nous sommes intéressés à huit cristaux identifiés lors de précédents travaux : BNA, LBO, YCOB, AGS, CdSe, CSP, ZnO et GaP obtenus dans le cadre de collaborations internationales. Nous avons également considéré deux nouveaux cristaux : CTAS, dont les propriétés optiques ont été caractérisées pour la première fois dans ses domaines de transparence ultraviolet-infrarouge et THz; ainsi que GeO2 dont il manquait les propriétés optiques linéaires et non linéaires dans le domaine de transparence ultraviolet-infrarouge.L’approche a été d’abord théorique, avec les calculs de conditions d’accord de phase. Ils ont pu être réalisés en exploitant la surface des indices des cristaux qui dépend de la classe optique et d’équations décrivant la variation des indices de réfraction principaux en fonction de la longueur d’onde. Dans le domaine de transparence ultraviolet-infrarouge, ces équations proviennent de l’interpolation de données expérimentales d’angles d’accord de phase ou de données de la littérature. Dans le domaine THz, c’est la technique de spectroscopie résolue en temps (TDS) qui a été utilisée. L’approche a été ensuite expérimentale avec la mise en place d’un montage pour pouvoir générer du THz dans les dix cristaux non linéaires sélectionnés. Une source femtoseconde commerciale accordable continument entre 0,48 microns et 2,6 microns a été utilisée pour les deux longueurs d’onde incidentes de la DFG ou de l’OR. Des composants optiques ont permis le transport et la focalisation du faisceau THz dans un bolomètre pour quantifier l’énergie générée. Le besoin d’une détection adaptée pour enregistrer le spectre de l’onde THz a été discuté : nous avons ciblé la transformée de Fourier de la corrélation entre une impulsion sonde émise par la source femtoseconde et l’impulsion THz de durée picoseconde, le champ électrique de cette dernière induisant un effet électro-optique dans un cristal de ZnTe.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04331034 , version 1 (08-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04331034 , version 1

Citer

Théodore Remark. Évaluation de cristaux non linéaires pour la génération d'ondes THz par différence de fréquences en conditions d'accord de phase. Optique / photonique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALT049⟩. ⟨tel-04331034⟩

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