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Laboratoire Pierre Aigrain

Accueil du site > La recherche au L.P.A. > Propriétés optiques et électroniques des nano-objets > Optique cohérente et non linéaire > Techniques expérimentales > Four Wave Mixing

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 k_1 et k_2, retardées d’un intervalle de temps \Delta \tau, sont focalisées sur l’échantillon. Tant que \Delta \tau est de l’ordre du temps de cohérence T_2 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 k_2 (respectivement k_1) donne naissance à un signal non-linéaire dans la direction 2k_2- k_1 (respectivement 2k_1 - k_2), 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 \Delta \tau, son intensité décroît avec le temps caractéristique T_2.

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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 \Delta \tau. 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 T_2, l’intensité intégrée présente aussi une décroissance exponentielle avec \Delta \tau, 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.

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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 \Delta \tau qui permet de mesurer le temps de déphasage T_2. On distingue de plus une décroissance de ce temps de déphasage T_2 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 \Delta \tau négatifs. Ceci est une particularité des systèmes semiconducteur et est dû à la présence de non-linéarités d’origine coulombienne.