Optique non linéaire

François Hache

Description

Depuis l’invention des lasers, l’optique non linéaire n’a cessé de se développer dans de multiples directions. Fondée sur la réponse non linéaire de matériaux soumis à des ondes électromagnétiques intenses, elle permet la génération de seconde harmonique ou de nouvelles fréquences par effets paramétriques, ou encore de modifier par effet Kerr les caractéristiques de propagation des impulsions lumineuses. Parmi les nombreuses applications de cette discipline en plein développement on peut citer les télécommunications par fibre optique ou de nouvelles techniques d’imagerie utilisées en biologie, ainsi que l’optique quantique et l’optoélectronique.

Cet ouvrage s’adresse aux étudiants de mastère, aux chercheurs et aux ingénieurs. Il propose une introduction aux principes de base de l’optique non linéaire, complétée par des problèmes qui traitent d’applications récentes.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Science
• Ondes
• Lights
• Optics
• Physics
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 juillet 2016
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759820078
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

FRANÇOIS HACHE
OPTIQUE NON LINÉAIRE
PHYSIQUE
PHYSIQUE PHYSIQUESAVOIRS ACTUELS
OPTIQUE
NON LINÉAIRE FRANÇOIS HACHE
Depuis l’invention des lasers, l’optique non linéaire n’a cessé de se développer dans de multiples directions.
Fondée sur la réponse non linéaire de matériaux soumis à des ondes électromagnétiques intenses, elle permet
la génération de seconde harmonique ou de nouvelles fréquences par effets paramétriques, ou encore de
modifier par effet Kerr les caractéristiques de propagation des impulsions lumineuses. Parmi les nombreuses
applications de cette discipline en plein développement on peut citer les télécommunications par fibre optique
ou de nouvelles techniques d’imagerie utilisées en biologie, ainsi que l’optique quantique et l’optoélectronique.
Cet ouvrage s’adresse aux étudiants de mastère, aux chercheurs et aux ingénieurs. Il propose une introduction
aux principes de base de l’optique non linéaire, complétée par des problèmes qui traitent d’applications récentes.
François Hache est professeur associé du Département de physique de l’Ecole polytechnique et
directeur du laboratoire d’Optique et Biosciences (X/CNRS/INSERM). Il assure des cours sur l’optique
non linéaire depuis 2005 dans plusieurs M1 ou M2. Il a reçu la médaille d’argent du CNRS en 2011. OPTIQUE
NON LINÉAIRE
Série Physique dirigée par Michèle LEDUC et Michel LE BELLAC
SAVOIRS ACTUELS
Collection dirigée par Michèle LEDUC
CNRS ÉDITIONS
www.cnrseditions.fr www.edpsciences.org FRANÇOIS HACHE
Création graphique : Béatrice Couëdel
Ces ouvrages, écrits par des chercheurs, reflètent des
enseignements dispensés dans le cadre de la formation à la
recherche. Ils s’adressent donc aux étudiants avancés, aux
9782759 818402 chercheurs désireux de perfectionner leurs connaissances ainsi 39 €
qu’à tout lecteur passionné par la science contemporaine.ISBN EDP Sciences 978-2-7598-1840-2 CNRS ÉDITIONS
ISBN CNRS ÉDITIONS 978-2-271-09274-8
9782759818402_COUV.indd 1 02/06/2016 19:29François Hache
Optique non linéaireIllustration de couverture : « Génération de seconde harmonique dans un
cristal de BBO » c Vincent Kemlin. Le faisceau bleu (longueur d’onde 400 nm)
est créé dans un cristal de BBO à partir du faisceau rouge (800 nm) incident :
la génération de seconde harmonique est un des principaux phénomènes de
l’optique non linéaire.
Imprimé en France.
c 2016, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de
Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A
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CNRS Éditions, 15, rue Malebranche, 75005 Paris.
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ISBN EDP Sciences 978-2-7598-1840-2 CNRS Éditions 978-2-271-09274-8Table des matières
Préface vii
Avant-Propos ix
Introduction 1
1 Susceptibilités non linéaires 5
1.1 Optique ondulatoire : notions de base ....................... 5
1.2 non linéaires ................................. 8
1.2.1 Susceptibilité linéaire . 8
1.2.2 Susceptibilités non linéaires.......................... 9
1.2.3 Aspects tensoriels des susceptibilités................ 10
1.2.4 Symétrie de Kleinman.............................. 11
1.2.5 Modèles classiques de non linéaires... 12
1.2.6 Transferts d’énergie................................. 16
2 Équation de propagation non linéaire 25
2.1 Équation de........................... 25
2.1.1 Onde plane dans un milieu isotrope ................ 26
2.1.2 Onde plane dans un anisotrope.............. 26
2.1.3 Ondes non planes.................................. 28
2.2 Équation de propagation non linéaire ...................... 30
2.3 Mélange à trois ondes : relations de Manley-Rowe.......... 31
3 Génération de seconde harmonique 37
3.1 Introduction............................................... 37
3.2 SHG en régime paramétrique .............................. 38
3.3 SHG : cas général.......................................... 40
3.4 Notation contractée de la susceptibilité non linéaire ........ 44
3.5 Accord de phase........................................... 44
3.5.1 Accord de phase par biréfringence .................. 44
3.5.2 Quasi-accord de phase 46
3.6 Génération de troisième harmonique en régime focalisé..... 47iv Optique non linéaire
4 Oscillateur et amplificateur paramétriques optiques 55
4.1 Introduction............................................... 55
4.2 Amplification paramétrique optique........................ 55
4.3 Oscillateur paramétrique optique........................... 57
4.3.1 OPO simplement et doublement résonnants........ 57
4.3.2 Seuils d’oscillation................................. 57
4.3.3 Différents OPO.................................... 60
4.4 OPO et optique quantique 62
5 Effet Kerr optique 71
5.1 Effet Kerr optique ......................................... 71
5.2 Propagation d’une onde dans un milieu Kerr :
Autofocalisation ........................................... 73
5.3 Bistabilité optique ......................................... 76
5.4 Conjugaison de phase...................................... 77
5.5 Automodulation de phase.................................. 80
5.6 Absorption à deux photons ................................ 80
5.7 Effet Kerr croisé : couplage de deux faisceaux.............. 82
6 Diffusions Raman et Brillouin 91
6.1 Introduction : diffusion de la lumière....................... 91
6.2 Diffusion Raman........................................... 92
6.2.1 Diffusion Raman spontanée........................ 92
6.2.2 Absorption infrarouge/Raman ..................... 94
6.2.3 Diffusion Raman stimulée.......................... 96
6.2.4 Diffusion antiStokes cohérente (CARS)............. 99
6.3 Diffusion Brillouin ........................................ 100
6.3.1 Diffraction d’une onde lumineuse sur une
onde acoustique .................................. 101
6.3.2 Diffusion Brillouin stimulée....................... 103
7 Optique non linéaire des impulsions courtes 107
7.1 Propagation d’impulsions courtes dans un milieu linéaire .. 108
7.1.1 Équation de propagation.......................... 108
7.1.2 Dispersion de la vitesse de groupe................. 110
7.2 Propagation d’impulsions courtes dans un milieu Kerr.
Solitons.................................................. 112
7.2.1 Équation de propagation non linéaire ............. 112
7.2.2 Effet Kerr ........................................ 113
7.2.3 Solitons........................................... 114
7.3 Impulsions ultracourtes................................... 116Table des matières v
8 Calcul quantique des fonctions-réponse et des susceptibilités
non linéaires 125
8.1 Fonctions-réponse et susceptibilités non linéaires .......... 125
8.2 Équation de Liouville pour un système couplé à un bain .. 127
8.2.1 Résolution de l’équation .......................... 128
8.2.2 Développement perturbatif ....................... 129
8.3 Calcul des susceptibilités ................................. 131
er8.3.1 1 ordre.......................................... 131
e8.3.2 2 ordre 132
9 Bases théoriques de la spectroscopie résolue en temps 137
9.1 Fonctions-réponse : cas résonnant......................... 137
9.1.1 Approximation de l’onde tournante ............... 138
9.1.2 Diagrammes de Feynman résonnants.............. 138
9.1.3 Propagateur G (t)............................... 140eg
9.1.4 Processus d’absorption............................ 141
9.2 Expérience pompe-sonde.................................. 141
9.3 Raman résonnant/Fluorescence 148
10 Introduction à la spectroscopie multidimensionnelle 155
10.1 Système à 2 niveaux .................................... 157
10.2 Transitions couplées 157
10.3 États excités............................................ 160
10.4 Cas général. 161
10.5 Conclusion.............................................. 161
Conclusion 163
Corrigés des problèmes 165
Index 181Préface
L’invention du laser dans les années 60 a permis l’avènement d’une
nouvelle physique, appelée « optique non-linéaire », qui s’intéresse à l’interaction
entre la matière et la lumière intense et a connu un développement
spectaculaire. Elle a conduit à de belles découvertes et à de nombreuses applications.
De nouveaux phénomènes d’interaction matière-lumière ont été mis en
évidence, qui ont pu à leur tour être utilisés comme sonde des propriétés de la
matière. On peut ainsi mesurer à distance et de manière très précise les
caractéristiques d’une flamme de réacteur. L’optique non linéaire a aussi permis de
nouvelles sources de lumière cohérente dans des domaines de longueurs d’onde
où les lasers faisaient souvent défaut. D’une manière inattendue l’optique non
linéaire est aussi à l’origine d’un développement spectaculaire des études sur
les étranges propriétés du monde quantique : génération de photons uniques
ou jumeaux, manipulation des fluctuations quantiques.
Le livre de François Hache nous propose une excellente introduction à
cette nouvelle branche de la physique. Il donne les bases du formalisme de
l’optique non linéaire, puis étudie successivement les nombreux phénomènes
qui apparaissent lorsque de la lumière intense interagit avec la matière et
leurs applications. L’originalité de l’ouvrage est qu’il s’attache à décrire aussi
les développements récents de la discipl