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3.Mélange à quatre onde
Une expérience de mélange à quatre ondes dégénéré en fréquence consiste à faire interagir dans un échantillon deux impulsions laser de même fréquence, et arrivant à deux instants différents. Le schéma de principe en est présenté sur la figure ci-dessous.
Deux impulsions, de vecteur d’onde 
et 
, retardées d’un intervalle de temps 
, sont focalisées sur l’échantillon. Tant que est de l’ordre du temps de cohérence 
du matériau, l’interaction entre les deux impulsions donne naissance à un réseau de population cohérent. Une troisième onde est alors diffractée par ce réseau : la diffraction de Bragg des photons du faisceau de direction (respectivement ) donne naissance à un signal non-linéaire dans la direction 
(respectivement 
), qui constitue le signal de mélange à quatre ondes.
Ce signal apparaît donc dans une direction, différente de celle des faisceaux incidents ; ceci permet en principe de mesurer des signaux faibles, bien qu’en pratique, la diffusion des faisceaux incidents puisse en limiter la mesure.
L’intensité de ce signal est directement reliée à la cohérence du milieu. En effet, pour un retard fixé , son intensité décroît avec le temps caractéristique .
- Principe de l’expérience de mélange à quatre ondes.
Alternativement, on peut intégrer le signal dans un détecteur lent et mesurer l’intensité intégrée en fonction du retard . On parle alors de mélange à quatre ondes intégré en temps (Ti-FWM pour "Time integrated four wave mixing").
Dans le cas le plus simple, si l’intensité de signal de FWM décroît exponentiellement avec le temps caractéristique , l’intensité intégrée présente aussi une décroissance exponentielle avec , de même constante de temps. On dispose alors d’une technique plus sensible que la mesure directe du signal de FWM qui doit être résolu en temps par "up-conversion", par exemple, et limite donc les mesures aux fortes intensités. Néanmoins, il existe de nombreuses situations où les deux mesures sont complémentaires.
La figure ci-dessous montre des résultats obtenus pour le mode polaritonique de basse énergie d’une microcavité de semi-conducteur en couplage fort lumière-matière.
- Signal de mélange à quatre ondes intégré en temps mesuré pour le polariton de basse énergie d’une microcavité planaire, aux densités d’excitation croissantes 5/8/21/55/103/157 W.cm-2.
On remarque la décroissance exponentielle du signal de Ti-FWM avec le retard qui permet de mesurer le temps de déphasage .
On distingue de plus une décroissance de ce temps de déphasage avec l’intensité d’excitation. Ceci est du à l’activation par l’augmentation de la population de polaritons photocréés du déphasage collisionnel polariron-polariton. On remarquera la présence d’un signal de Ti-FWM pour des retards négatifs. Ceci est une particularité des systèmes semiconducteur et est dû à la présence de non-linéarités d’origine coulombienne.
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