Thèse Nouvelles Architectures Laser pour la Conversion de Fréquence par Optique Non-Linéaire H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry
Direction de la thèse : Patrick GEORGES ORCID 0000000168222775
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

La télédétection atmosphérique par LIDAR à absorption différentielle (DiAL) requiert des sources laser impulsionnelles en régime nanoseconde, à spectre fin et accordable. Les oscillateurs paramétriques optiques classiques (OPO) utilisés à cet effet impliquent des architectures complexes, notamment en raison de la nécessité d'une injection par un laser auxiliaire et d'un asservissement actif de la cavité pour maintenir une émission monomode. Les oscillateurs paramétriques à ondes contra-propageantes (Backward Wave Optical Parametric Oscillators - BWOPO) en KTP périodiquement inversé (ppKTP) constituent une alternative technologique prometteuse : leurs conditions d'accord de phase particulières permettent d'obtenir naturellement une oscillation monomode sans cavité résonante, réduisant ainsi considérablement la complexité optomécanique du système.

La mise en oeuvre de ces cristaux exige un pas d'inversion des domaines de l'ordre de la longueur d'onde optique, une maîtrise technologique aujourd'hui détenue exclusivement par le groupe du KTH (Stockholm), partenaire de notre laboratoire dans le cadre du projet européen SIROCO. Si des premières démonstrations expérimentales ont confirmé la possibilité d'obtenir des spectres d'émission fins et des efficacités de conversion élevées, plusieurs propriétés fondamentales des BWOPO - stabilité en fréquence, qualité spatiale du faisceau, comportement à forte puissance - restent encore à caractériser avant d'envisager leur déploiement applicatif.

Le groupe Lasers du Laboratoire Charles Fabry travaille depuis plusieurs années sur la conception, la réalisation et la modélisation de sources laser associées à des étages de conversion non linéaire dans différents régimes temporels (nanoseconde et femtoseconde).

1.Démontrer le potentiel des BWOPO comme sources pour les systèmes LIDAR DiAL, en réalisant une première démonstration intégrée incluant les étages d'amplification OPA.

2.Etudier les OPA injectés par une source en continu comme alternative aux BWOPO.

3.Caractériser les propriétés fondamentales des BWOPO (spectre fin, stabilité en fréquence, qualité spatiale) par des approches expérimentales et numériques complémentaires.

4.Concevoir et valider des architectures OPA multi-passages en régime nanoseconde, en s'appuyant sur la simulation numérique pour le dimensionnement et l'analyse.

5.Etudier le potentiel des BWOPO pour la conversion non-linéaire d'impulsions femtosecondes à dérive de fréquence.

Les expériences s'appuieront sur une chaîne d'amplification laser hybride développée au laboratoire dans le cadre des deux thèses précédentes. Une première étape consistera à étendre les capacités de cette source pour lui conférer une plus grande agilité : durées d'impulsion et formes variables, cadences ajustables.

Dans le cadre du projet SIROCO, de nouveaux cristaux de BWOPO fournis par le KTH seront testés dans diverses configurations. La caractérisation spectrale fine sera assurée par détection hétérodyne, permettant de mesurer la largeur de raie et la stabilité en fréquence. Des cellules de gaz seront utilisées pour simuler des mesures atmosphériques sur des raies d'absorption de molécules cibles. Les propriétés spatiales des faisceaux seront analysées à l'aide des caméras moyen infrarouge disponibles au laboratoire.

Pour le développement des architectures OPA multi-passages, la simulation numérique jouera un rôle central, en complément des démonstrations expérimentales. Une collaboration étroite est prévue avec un autre doctorant du groupe travaillant sur cette thématique en régime femtoseconde.