Optique non linéaire

Fibre optique microstructurée dans laquelle un faisceau impulsionnel dans le proche infrarouge génère un supercontinuum grâce à différents effets non linéaires

La polarisation créée par une onde lumineuse de fréquence ${\displaystyle \omega _{1}}$ traversant un matériau s'écrit sous la forme :

${\displaystyle {\vec {P}}={\vec {P}}^{(1)}+{\vec {P}}^{(2)}+{\vec {P}}^{(3)}+\dots \,}$,

où ${\displaystyle {\vec {P}}^{(n)}}$ est la polarisation d'ordre n en puissances du champ électrique :

${\displaystyle {\vec {P}}(\omega _{1})=\varepsilon _{0}\chi ^{(1)}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1})+\varepsilon _{0}\chi ^{(2)}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1})+\varepsilon _{0}\chi ^{(3)}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{1})+...}$

où ${\displaystyle \varepsilon _{0}\,}$ est la permittivité du vide, et ${\displaystyle \chi ^{(n)}(\omega _{1})}$ est le tenseur de susceptibilité électrique[1] d'ordre n (qui est en fait un tenseur d'ordre n+1).

Plus généralement, on peut montrer que pour n ondes de fréquences ${\displaystyle \omega _{1},\dots ,\omega _{i},\dots \omega _{n}}$ dont on note les amplitudes ${\displaystyle {\vec {E}}(\omega _{i})}$, la polarisation d'ordre n suivante est créée :

${\displaystyle {\vec {P}}^{(n)}(\omega _{1}+\dots +\omega _{n})=\varepsilon _{0}\chi ^{(n)}(\omega _{1},\dots ,\omega _{n}){\vec {E}}(\omega _{1})\dots {\vec {E}}(\omega _{n})}$

où ${\displaystyle \chi ^{(n)}(\omega _{1},\dots ,\omega _{n})\,}$ est le tenseur de susceptibilité électrique[1] d'ordre n+1 dépendant du matériau utilisé. Cette dernière expression montre que l'onde créée résulte d'un mélange de fréquence des ondes initialement présentes.

Une interprétation des non-linéarités apparaissant dans la polarisation provient de l'aspect microscopique de la matière. Chaque atome d'un matériau diélectrique est entouré d'un nuage électronique susceptible de se déformer sous l'action de ${\displaystyle {\vec {E}}}$, ce qui crée un dipôle électrique. Ce dipôle, pour une petite déformation, est proportionnel à E, mais si la déformation est trop importante, ce n'est plus le cas[2]. La somme de tous les dipôles est alors la polarisation introduite plus haut, d'où sa non-linéarité. On peut utiliser un raisonnement analogue dans le cas des métaux et des plasmas : les électrons libres subissent, de la part du champ excitateur, une force de Lorentz dépendant de la vitesse des électrons, et donc de la polarisation. Ainsi, ces milieux peuvent également présenter des effets non linéaires.

Chaque type de matériau présente des susceptibilités électriques différentes. Ils donnent donc des effets non linéaires de différents ordres. On classe alors ces effets suivant cet ordre.

Au premier ordre

Seul le premier terme de la polarisation intervient :

${\displaystyle {\vec {P}}^{(1)}(\omega )=\varepsilon _{0}\chi ^{(1)}(\omega ){\vec {E}}(\omega )}$.

Il s'agit de l'optique linéaire classique où la fréquence de l'onde créée est forcément égale à celle de l'onde initiale. Les effets alors observés sont la réfraction des ondes et la biréfringence.

Au second ordre

La polarisation s'écrit :

${\displaystyle {\vec {P}}^{(2)}(\omega _{1}+\omega _{2})=\varepsilon _{0}\chi ^{(2)}(\omega _{1},\omega _{2}){\vec {E}}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{2})}$.

On peut notamment citer les effets suivants :

• La génération de la fréquence somme ${\displaystyle \omega _{1}+\omega _{2}}$, dont un cas particulier est la génération de seconde harmonique lorsque ${\displaystyle \omega _{1}=\omega _{2}}$. Les pointeurs lasers verts sont un exemple d'application : une émission source à 1 064 nm (infrarouge) est doublée à 532 nm (vert), le doublage en fréquence impliquant une division par 2 en longueur d'onde.
• L'Effet Pockels lorsque ${\displaystyle \omega _{1}=0}$.
• La Rectification optique est le phénomène réciproque de l'effet Pockels, ou électro-optique. Lorsqu'un cristal non linéaire ${\displaystyle \chi ^{(2)}}$ est éclairé par un faisceau lumineux, un champ de polarisation électrique statique est engendré par rectification optique selon le processus :

${\displaystyle {{\vec {P}}^{(2)}(\Omega )}=\varepsilon _{0}\chi ^{(2)}\left[\omega +\Omega ,-\omega$ ;\Omega \right]{\vec {E}}(\omega +\Omega ){\vec {E}}^{*}(\omega )} .

Au troisième ordre

La polarisation s'écrit :

${\displaystyle {\vec {P}}^{(3)}(\omega _{1}+\omega _{2}+\omega _{3})=\varepsilon _{0}\chi ^{(3)}(\omega _{1},\omega _{2},\omega _{3}){\vec {E}}(\omega _{1}){\vec {E}}(\omega _{2}){\vec {E}}(\omega _{3})}$.

On peut citer les effets suivants :

• le mélange paramétrique à quatre ondes, dont un cas particulier est la génération de troisième harmonique (laser UV),
• les diffusions inélastiques Raman, Brillouin,
• l'effet Kerr,
• la diffusion inélastique Stokes, l'absorption à deux photons et l'émission à deux photons.

Bracelet monté d'une opale, cristal photonique naturel.

• Oscillateur paramétrique optique
• Amplificateur paramétrique optique
• Cristal doubleur de fréquence
• Laser accordable
• Fibres à cristaux photoniques
• Convertisseur bas

• (en) Quantum Electronics, H. Robin & C. L. Tang, Volume I, parties A et B, Academic Press, 1975.
• (en) Nonlinear optics, N. Bloemberger, Benjamin Inc., 1965.