Soutenance de thèse de Bingxia WANG

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Optique Non linéaire,génération du harmonique,cristal non linéaire désordonné,Optique Ultra- rapide,
Keywords
Nonlinear optics,harmonic generation,nonlinear crystals,ultrafast optics,
Titre de thèse
Génération du second harmonique dans des cristaux non-linéaires désordonnés: application à la caractérisation d'impulsions laser ultra-courtes
Second harmonic generation in disordered nonlinear crystals: application to ultra-short laser pulse characterization
Date
Vendredi 13 Octobre 2017 à 11:00
Adresse
GAIA Build., TR14, Rambla Sant Nebridi 22, 08222, Terrassa, Barcelona, Spain
Room 327
Jury
CoDirecteur de these Hassan AKHOUAYRI INSTITUT FRESNEL, ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE
Examinateur Ramon VILASECA ALAVEDRA DONLL Group, Physica Department, Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelona, Spain
Examinateur Georges BOUDEBS LPhiA Laboratoire de Photoniques d’Angers, Université d’Angers
Directeur de these Crina COJOCARU DONLL Group, Departament de Física, Universitat Politècnica de Catalunya
Rapporteur Yannick DUMEIGE Laboratoire FOTON CNRS UMR 6082, IUT de Lannion / Université de Rennes 1
Rapporteur Fernando SILVA VáZQUEZ Physics Faculty, Universitat de València, Valencia, Spain

Résumé de la thèse

Ce projet de thèse de doctorat est intitulé «Génération du second harmonique dans des cristaux non-linéaires désordonnés: application à la caractérisation d'impulsions laser ultra-courtes». Il est consacré à l'étude de la génération de deuxième harmonique dans des cristaux ferroélectriques non linéaires formés par une distribution aléatoire de domaines. Ceci conduit à une distribution aléatoire de la susceptibilité non linéaire quadratique (Tels que le nitrate de baryum de strontium –SBN- et les cristaux de nitrate de calcium et de calcium) et son application à la caractérisation unique des impulsions laser ultra-courtes. Le principe de base de l'opération est lié au type unique d'émission associé à ces types de cristaux où le second signal harmonique est émis transversalement à la direction de propagation du faisceau. En utilisant la génération transversale de deuxième harmonique à partir de ces cristaux, nous mesurons la durée de l'impulsion, le paramètre chirp et le profil temporel dans une configuration à un seul pulse laser. Cette méthode a été mise en œuvre à la fois dans l'autocorrélation transversale et les schémas transversaux de corrélation croisée pour la mesure des impulsions avec des durées allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de femtosecondes. Les principaux avantages obtenus avec les techniques développées par rapport à d'autres méthodes traditionnelles comprennent l'élimination de l'exigence de cristaux minces non linéaires pour la génération harmonique, la possibilité d'obtenir une correspondance automatique de phase sans alignement angulaire ou contrôle de la température sur un spectre très large et un processus d'opération simplifié. Différents types d'impulsions ont été mesurés dans différentes conditions et les limites de validité de la technique ont été explorées. Étant donné que ce travail repose fortement sur les caractéristiques de l'émission du second signal harmonique par ces cristaux ferroélectriques à distribution aléatoire des domaines, une partie importante de ce travail a été axée sur la caractérisation de la distribution des domaines des cristaux ferroélectriques non linéaires aléatoires et sa relation avec l'émission angulaire du signal de la deuxième harmonique. La distribution de la polarisation non linéaire implique une distribution associée de vecteurs de réseau réciproque, ce qui peut compenser le décalage de phase dans l'interaction non linéaire. Toute modification de la répartition des domaines aurait un impact direct dans la distribution angulaire de la deuxième harmonique et de sa distribution angulaire d'intensité. Sur la base de ces concepts fondamentaux, nous démontrons une méthode optique non destructive indirecte pour la caractérisation de statistiques des domaines non linéaire basées sur l'analyse de la distribution angulaire d'intensité de génération de la deuxième harmonique. Cette méthode a été mise en œuvre expérimentalement et testée dans des cristaux avec différents types de distributions. Pour obtenir une meilleure compréhension de ces processus, des simulations numériques ont été effectuées en utilisant une méthode de propagation de faisceau adaptée aux matériaux non linéaires. Il a été démontré que l'analyse de la dépendance de l'émission angulaire de la deuxième génération harmonique avec la longueur d'onde fondamentale du faisceau peut être utilisée pour obtenir des informations pertinentes sur les structures de domaines compliquées. Cette méthode pourrait être utilisée pour la surveillance en temps réel de la distribution de domaines inconnue pendant le processus de polling ou de croissance des cristaux.

Thesis resume

The PhD project, entitled «Second harmonic generation in disordered nonlinear crystals: application to ultra-short laser pulse characterization», is devoted to the study of second harmonic generation in nonlinear ferroelectric crystals formed by a random distribution of domains with inverted quadratic nonlinear susceptibility (such as the Strontium Barium Niobate and Calcium Barium Niobate crystals) and its application to the single-shot characterization of ultrashort laser pulses. The basic principle of operation is related to the unique type of emission associated to those kinds of crystals where the second harmonic signal is emitted transversally to the beam propagation direction. Using the transverse second harmonic generation from these crystals we measure the pulse duration, the chirp parameter and the temporal profile in a single-shot configuration. This method has been implemented both in transverse auto-correlation and transverse cross-correlation schemes for the measurement of pulses with durations in the range from several tens up to several hundreds of femtoseconds. The main advantages gained with the developed techniques against other traditional methods include the removal of the requirement of thin nonlinear crystals for harmonic generation, the possibility to get automatic phase matching without angular alignment or temperature control over a very wide spectrum and a simplified operation process. Different types of pulses have been measured in different conditions and the limits of validity of the technique have been explored. Since this work relies strongly upon the characteristics of emission of the second harmonic signal by these random crystals, an important part of this work has been focused on the characterization of the distribution of domains of the random nonlinear ferroelectric crystals and its relation with the angular emission of the second harmonic signal. The domain distribution of the nonlinear polarization implies an associated distribution of reciprocal lattice vectors, which can compensate the phase mismatch in the nonlinear interaction. Any change in the domain distribution would have a direct impact in the second harmonic generated and in its intensity angular distribution. Based on these fundamental concepts we demonstrate an indirect non-destructive optical method for the characterization of nonlinear domain statistics based on the analysis of the second harmonic generation intensity angular distribution. This method has been implemented experimentally and tested in crystals with different types of distributions. To gain a deeper insight on these processes, numerical simulations have been performed using a split-step fast-Fourier transform beam propagation method. It has been demonstrated that the analysis of the dependence of the second harmonic generation angular emission with the fundamental beam wavelength can be used to obtain relevant information about complicated domain structures. This method could be used for real time monitoring of the unknown domain distribution during the poling or crystal growing process.