1 Sources d'impulsions brèves basées sur des procédés de découpe non linéaires au sein d'une fibre optique ; nouvelles sources déclenchées à cavités couplées

1

Sources d'impulsions brèves basées sur des procédés de découpe non linéaires au sein d'une

fibre optique ;nouvelles sources déclenchées à cavités couplées

Soutenance de thèse de

Florent Doutrele 5 novembre 2010

Membres du jury :

Patrick Georges Alain Jalocha

François Sanchez Vincent Couderc

Michèle Lalande Dominique Pagnoux

Ammar Hideur

2

Diagnostic cellulaire par cytométrie en flux

Objectif :

Dépistage précoce de maladies infectieuses

Principe :• Cellules en suspension liquide • Défilement devant un faisceau laser• Mesures des signaux lumineux

Intérêt :• Rapidité (plusieurs kHz)• Analyse cellule par cellule• Rapport signal sur bruit élevé

(potentiellement jusqu'à ≈104)

3

Diagnostic cellulaire par cytométrie en flux

Paramètres accessibles :• La taille (détecteur 1)

• La complexité de la structure interne (détecteur 2)

◄ Détecteurs 1 & 2 → cartographie des types cellulaires

Polynucléairesneutrophiles

Monocytes

Lymphocytes

►Détecteurs 3 → présence d'un antigène spécifique

Fluorochrome

Anticorps

Cellule marquée

• La présence de molécules fluorescentes (détecteur 3)

4

La fluorescence en cytométrie

Rappel sur la fluorescence :• Excitation à une longueur d'onde λ1

• Émission une longueur d'onde λ2

Niveau fondamental

Niveaux excités

λ1λ2

1,8-ANS

Alexa Fluor 488

5-ROX

TOTO-3

Alexa Fluor 750Une source par λ d'excitation

Sauf cas particulier :

5

Détection multiple

Détection de plusieurs marqueurs → excitation multilongueur d'onde

λ (nm)375 nm 488 nm 594 nm 752 nm

Avantage :

Analyse plus exhaustive

Inconvénient :

Complexité accrue du dispositif

6

Multiplexage en longueur d'onde

Amélioration envisagée :

Illumination par un "laser blanc"

Observation :

Les lasers blancs peuvent être– continus

Kudlinski & Mussot Opt. Lett. Vol. 33 No. 20 (2008)

– femtosecondes (mode-locked)

– nanosecondes (déclenchés)

Gigue temporelle < 1 µsSachant :• Vitesse du flux ≈ 10 m.s-1

• Fenêtre d'exposition ≈ 50 µm

• Fréquence de répétition ≈ 5 kHz

Contrainte :

Synchroniser le passage d'une cellule à l'émission laser

Coûteux

7

Recouvrement des bandes d'émission

Autre problème :

Recouvrement des bandes

d'émissions des fluorophores

Impulsions picosecondes

Nouveau paramètre :

Le temps de vie de fluorescence

Exemples :

(rose bengal) ≈100 ps

(DCS)≈66 ps

fluo

fluo

Contrainte :

Durée d'impulsion < fluo

fluo

8

Problématique

Synchronisation du flux de cellules et de l'émission d'impulsion :→ laser avec une gigue temporelle sub-microseconde

Distinction entre les émissions de différents fluorophores : 1. via le temps de vie de fluorescence

→ lasers délivrant des impulsions picosecondes

2. via une stimulation polychromatique:

→ laser blanc

Contraintes d'encombrement et de coût : → laser miniature et bon marché

9

Plan de la présentation

1. Sources lasers impulsionnelles

2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser– État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions

– Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation

– Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP

3. Réduction de la gigue temporelle– Cause de la gigue des lasers déclenchés

– État de l'art sur la réduction de la gigue

– Système à deux cavités imbriquées

– Divers types de déclencheurs actifs

4. Laser déclenché polychromatique sans gigue

5. Conclusion

10











5. Conclusion

11

Sources lasers impulsionnelles

Caractéristiques Q-switch ML

Durée d'impulsion 0,5 à 2 ns fs / ps

Gigue temporelle >5 µs fs à ps

Taux de répétition1 à 100

kHz>MHz

Volume 1 L 100 L

Coûtquelques

k€dizaines

de k€

Laser blanc ? Oui Oui

Verrouillage de modes

ou ML (Mode-lock)

A déclenchement

ou Q-switch

12

Choix d'un type de source

Laser déclenché miniature :

→ microlaser ou laser "microchip"

Diode depompe

Microcavité (millimétrique)

Milieu

à gain

(Nd:YAG)

Absorbant saturable(Cr:YAG)

Miroirs

(dépôts diélectriques)

Performances des lasers commerciaux :

→ durée d'impulsion >500 ps

→ gigue temporelle >5 µs

Diminution de la gigue temporelle

Raccourcissement des impulsions

Performances en labo :

→ durée d'impulsion 37 ps(Häring et al. JOSA B Vol.18 No.12 2001)

→ gigue temporelle 65 ps(Hansson et al. Electron. Lett. Vol.36

No.13 2000)

13











5. Conclusion

14

Etat de l'art sur le raccourcissement d'impulsions

Source laser

Milieu non linéaire

Dispersion négative

Compression par compensation de la phase spectrale :

Efficacité démontrée pour des impulsions picosecondes

Difficulté de mise en œuvre pour des impulsions "longues" (500 ps)

Lnon linéaire << Ldispersion (au moins 6 ordres de grandeurs)

Paire de réseaux de longueur ≈50 cm

Profils temporels

Profils spectraux

15

Rotation non-linéaire de polarisation(ou RNLP)

temps

none

Milieu biréfringent :

→ déformation de l'ellipse de

polarisation lors de la propagation

Biréfringence non linéaire :

→ no et ne dépendent de l'intensité du champ

θ

16

Description mathématique

yxyyyy

yy

xyxxxx

xx

AAAiAt

Ai

t

A

z

A

AAAiAt

Ai

t

A

z

A

22

2

2

21

22

2

22

1

3

2

22

3

2

22

Équations de Schrödinger non linéaires (ESNL) :

LaserPtransmis

Auto modulation de phaseModulation de phase croisée

17

Transmission non linéaire due à la RNLP

Nettoyage des pieds d'impulsions :

Verrouillage de modes dans une cavité laser fibrée :Kuzin, Ibarra Escamilla & Garcia-Gomez,

Opt. Lett. Vol.26 No.20 (2001)

Yang, Tangdiongga, Lenstra, Khoe & Dorren, ►

Opt. Exp. Vol.12 No.11 (2004)

Stolen, Botineau & Ashkin,


Nishizawa & Murayama,


18

RNLP pour le profilage d'impulsion

Réduction de la durée par un facteur 2,5

Nikolaus, Grischkowsky & Balant, Opt. Lett. Vol.8 No.3 (1983)

19

Description mathématique plus complète

),(3

2

22

),(3

2

22

22*22

2

2

21

22*22

2

22

1

tzReAAiAAAiAt

Ai

t

A

z

A

tzReAAiAAAiAt

Ai

t

A

z

A

pzi

xyyxyyyy

yy

pzi

yxxyxxxx

xx

ESNL d'une impulsion de forte puissance crête dans un milieu faiblement biréfringent :

Couplage cohérent : mélange à 4 ondes dégénéré entre les composantes de polarisation du champ ; → le terme d'accord de phase dépend de la biréfringence et de la distance de propagation.Diffusion Raman stimulée : diffusion inélastique du milieu qui convertit une fraction de l'onde en fréquence ; → l'efficacité de ce phénomène augmente avec la puissance instantanée et la distance de propagation.

20

Description mathématique

zixyyxyy

yyy

y

ziyxxyxx

xxx

x

eAAiAAAiAt

Ai

t

A

z

A

eAAiAAAiAt

Ai

t

A

z

A

22*22

2

2

21

22*22

2

22

1

3

2

22

3

2

22

ESNL dans un milieu faiblement biréfringent :

Laser

Ptransmis

Couplage cohérent

21

Résolution numérique

zixyyxy

yy

ziyxxyx

xx

eAAiAAAit

Ai

z

A

eAAiAAAit

Ai

z

A

22*22

2

2

2

22*22

2

22

3

2

2

3

2

2Lfibre =5 m• β1x≈β1y

• α≈0Diffusion Raman négligée

Résolution numérique : méthode split-step FourierErreur de l'ordre dz²

ESNL simplifiée :

Paramètres de simulation :λ=1064 nm Pcrête entre 1 et 10 kW Durée d'impulsion=650 ps LB=1 m β2=16,5 ps2km-1 γ=2 W-1km-1

Effets Dispersifs

A(t,z=0)

Non Linéarités

TF

A(t,z+dz) TF-1

22

Validation de la méthode : effets linéaires

▲ Influence de la biréfringence linéaire sur l'ellipse de polarisation

◄ Étalement temporel des impulsions qui subissent majoritairement les effets de dispersion

1 ps

10 ps

23

Validation de la méthode : effets non linéaires

◄ Compétition entre les effets non linéaires et dispersif (durée 100 ps, Pcrête=100 W)

◄ Élargissement spectral d'une impulsion principalement soumise aux non-linéarités (durée 500 ps, Pcrête=2 kW)

100 ps

500 ps

24

Méthode de recherche systématique

Puissance crête Pcrête

Orientation de polarisation d'injection θin

Orientation de polarisation à

l'émergence θout

Analyse des profils temporels

θout+δθ

θin+δθ

Pcrête+δPcrête

25

Critères de sélection d'impulsions raccourcies

◄ La seule prise en compte des durées d'impulsions est insuffisante. Il faut également tenir compte de la puissance crête.

◄ La largeur mesurée à 1/5ème de la hauteur afin d'éviter la sélection d'impulsion avec une fraction importante d'énergie dans les pieds.

26

Résultats numériques

Découpe d'impulsions

Raccourcissement jusqu'à un facteur 37

Puissance crête faiblement atténuée (≈<10%)

Fraction d'énergie de l'impulsion localisée dans les pieds de l'impulsion :→ possibilité de nettoyage de

l'impulsion

27

Montage expérimental

Laser Nd:YAG JDSU :

Pcrête=12 kW frép.=7,9 kHz

Fibre Corning HI1060 :

L≈6 m LB≈1 m

Oscilloscope Tektronix :

Résolution ≈20 ps

Analyseur de spectre :

Résolution 10 pm

28

Découpe d'impulsions expérimentale

Durée accordable entre 650 et 60 ps

Soit un facteur de raccourcissement

jusqu'à 11

Importante sélectivité spectrale

Impulsion de 60 ps : ΔtΔν≈0,62

A partir d'un facteur de découpe >3,

une structuration des pieds des

impulsions apparaît.

29

Comparaison entre simulation et expérience

A partir d'une impulsion raccourcie expérimentalement :

Pcrête=2,3 kW θinexpé≈16±4° θout

expé= ?

On recherche une impulsion numérique raccourcie avec un profil similaire (en calculant l'intégrale de recouvrement) avec :

• une puissance crête initiale de Pcrête=2,3 kW

• un angle θinnum dans la gamme [12° ; 20°]

• et θoutnum dans la gamme [0 ; 180°]

La meilleure correspondance est

obtenue pour :

θinnum=19,3° θout

num=178° 0 500 1000 1500 20000

400

800

1200

1600

2000

2400Impulsions

injectée numérique expérimentale

Pu

issa

nce

(W

)

Temps (ps)

30

Inconvénients de la méthode de découpe

1. Perte d'énergie par impulsion proportionnelle au facteur de raccourcissement

2. Pas de relation simple établie entre puissances crête, angles et raccourcissement

3. Instabilité du profil temporel pour un facteur de découpe >8 causée par la sensibilité du dispositif aux variations de biréfringence

4. Montée en puissance limitée par l'apparition de la diffusion Raman stimulée

31











5. Conclusion

32

Diffusion Raman stimulée

Niveau fondamental

Niveaux virtuels

λ1λS λAS

λ1

Principe :

Dans une fibre en silice :• Décalage en fréquence sur une bande large (8 THz) autour de 13,2 THz• Seuil de puissance autour de 2 kW pour une fibre de diamètre 6,2 µm et

de longueur 5 m

33

Effet de la diffusion Raman stimulée

Apparition lorsque Pcrête>2,3 kW (proche du seuil théorique de 2 kW)

LNL << L << LDisp

→ forte distorsion du spectre→ faible distorsion temporelle

34

Combinaison avec la RNLP

Système de filtrage

Fibre 1m

Microlaser + alimentation

0 1000 20000,0

0,5

1,0

34ps 32ps

Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e

Temps (ps)

Puissance crête> 6kW

Contrôleur polarisation

Facteur de découpe >16

500 ps

35

Discussion des résultats

1062 1064 1066

-70

-60

-50

-40 Spectre de

l'impulsion de 32 ps

Pu

issa

nce

(d

Bm

)

Longueur d'onde (nm)

0 350 700

0,0

0,5

1,0

Stabilité pic à pic > 96%

Pui

ssan

ce n

orm

alis

ée

Temps (ps)

400 600 800P

uis

san

ce (

u.a

.)Temps (ps)

t=11 ps

Combinaison de l'effet Raman et de la RNLP :→ sensibilité moindre aux variations de biréfringence→ meilleure stabilité du profil temporel

Les impulsions ne sont pas à la limite de Fourier

→ possibilité de compression temporelle ?

TF-1 numérique

36

Conclusion partielle sur la découpe temporelle

1. Découpe d'impulsion par un facteur continûment accordable jusqu'à 11

2. D'un point de vue énergétique : • faible atténuation de la puissance crête (≈10%)

• le ratio d'énergie dans les pieds des impulsions augmente avec le facteur de raccourcissement (jusqu'à 46% pour des impulsion de 60 ps)

• ajout d'un second étage de filtrage

→ intérêt validé numériquement

→ réalisation expérimentale d'un système tout fibré à finaliser

3. Importante sélectivité spectrale de la technique

4. Combinaison avec le filtrage des longueurs d'onde Raman-Stokes• facteur de découpe augmenté jusqu'à 16

• possibilité d'obtenir une paire d'impulsions brèves (<50 ps)

• importante stabilité (>96%) sur un temps long (>1 h)

37











5. Conclusion

38

Cause de la gigue d'un microlaser

• du temps de vie de l'état excité du milieu à gain

• de la puissance de la diode de pompe

• de la fluctuation de cette puissance

• d'effets thermiques• de la stabilité de la cavité

1. Impulsions construites à partir du bruit d'émission spontanée

2. Le seuil d'émission se situe dans une zone dont l'épaisseur dépend :

39

État de l'art sur la réduction de gigue

►Modulation de la puissance de pompeMandeville et col. Proc. SPIE Vol. 2748 (1996)

Khurgin et col. Appl. Opt. Vol. 41 No. 6 (2002)

Lai et col. Appl. Phys. Lett. Vol. 79 No.8 (2007)

→ gigue de 0,5 µs

→ nécessité d'un rétro-contrôle sur la

diode de pompe

► Insertion d'un modulateur actif dans la cavité du microlaserZayhowski et col., Opt. Lett. Vol. 17 No. 17 (1992)

Hansonn et Arvidsson, Electron. Lett. Vol. 36 No. 13 (2000)

→ gigue sub-nanoseconde

→ contrôle strict en température (±0,1°)

→ impulsions "longues" (>1 ns)

40

État de l'art sur la réduction de gigue

▼ Déclenchement passif par réinjection dans la cavité d'une fraction de

l'impulsion précédenteNodop et al. Opt. Lett. Vol.35 No.17 (2010)

→ gigue réduite de 10 ns à 20 ps

→ fréquence de répétition fonction de la longueur de la ligne à retard

(3 kHz nécessite 100 km de fibre)

41

Microlaser à deux cavités imbriquées

photonsLaser

MAO

Pompe en dessous du

seuil

Microcavité (millimétrique)

Milieu

à gain

Abs

orb

ant

satu

rabl

eCavité longue (métrique)

Déclenchement actif :

piloté par le modulateur acousto-optique

→ faible gigue

Durée d'impulsion :

déterminée par la microcavité

→ impulsion sub-nanoseconde

42

Équations d'état d'un système à deux cavités

Déclenchement actif simulé par une brusque augmentation de la réflectivité du miroir d'extraction

spASeeASggr

LR

lNlNNltdt

d

1

ln222

pWN

Ndt

dN

Wp

Milieu

à gain

Abs

orb

ant

satu

rabl

e

Flux de photon (φ)

Inversion depopulation (N)

Population état :- fondamental Ng

- excité Ne

gge

ggg

Ncdt

dN

Ncdt

dN

Résolution de ces équations à l'aide d'un solveur ODE23

43

Simulation de la gigue d'un microlaser passif

Comportement d'un microlaser à déclenchement passif :

• effet laser pour R=90%, fréquence de répétition ≈30 µs

• cavité sous tendue pour R=70%

44

Simulation de la gigue d'un microlaser passif

◄ Gigue d'un laser passif pour différentes ampleurs des fluctuations de la puissance de pompe

◄ Laser hybride :

Diminution de la gigue de plusieurs ordres de grandeur

45

Données expérimentales

▼ Réduction de la gigue en dessous de la microseconde (soit un facteur 625 à 3 kHz) ▲ Conservation d'une

durée d'impulsion sub- nanoseconde

46

Conclusion partielle sur la réduction de la gigue

Système à deux cavités imbriquées contenant • un déclencheur actif (cavité longue)• un déclencheur passif (cavité courte)

permet :• de réduire la gigue temporelle à quelques dizaines de ns• de conserver la durée d'impulsion sub-nanoseconde

– découplage entre la durée d'impulsion et le temps de déclenchement

– découplage entre la durée d'impulsion et la longueur de la cavité laser

L'augmentation du facteur de surtension

de la cavité longue (M3→ Rmax)

diminue l'extraction des impulsions.

Possibilité d'extraire via une conversion

de fréquence ?

47











5. Conclusion

48

Élargissement spectral intracavité

Pompe en dessous du

seuil

Milieu à gain

Abs

orb

ant

satu

rabl

e

Génération d'un supercontinuum afin d'assurer l'extraction d'un signal large bande d'une cavité surtendue à 1064 nm

M3 RMAX @ 1064 nmMAO

Milieu NL

49

État de l'art sur les sources larges bandes

Source laser Milieu NL

• Solide Alfano et al., Phys. Rev. Lett. 24, 548 (1970) Yu et al., Opt. Comm. 14, 344 (1975) …

• Liquide Alfano et al., Phys. Rev. A 6, 433 (1972) Wernke et al., Opt. Comm. 4, 413 (1972) ...

• Gaz Corkum et al., Phys. Rev. Lett. 57, 2268 (1986) François et al., Opt. Comm. 99, 241 (1992) ...

• Guide d’ondes Lin et al., Appl. Phys. Lett. 28, 216 (1976) Spalter et al., Opt. Lett. 27, 363 (2002) …

• Fibre optique microstructurée Ranka et al., Opt. Lett. 25, 25 (2000) …

• Femtoseconde Ranka et al., Opt. Lett. 25, 25 (2000) Genty et al., Opt. Expr. 10, 1083 (2002) …

• Picoseconde Baldeck et al., J. of Ligth. Techn. LT-5, 1712 (1987) Coen et al., Opt. Lett. 26, 1356 (2001) …

• Nanoseconde Provino et al., Elect. Lett. 37, 558 (2001) Mussot et al., Opt. Lett. 28, 18 (2003) …

• Continu Avdokhin et al., Opt. Lett. 28, 1353 (2003) Mussot et al., Opt. Expr. 12, 28 (2004) …

50

Fibre non linéaire à deux cœurs concentriques

▼ Fibre PERFOS

pitch ≈2,77 µm

Øtrou ≈1,43 µm

Emploi de fibres à cœurs concentriques en régime linéaire pour compenser la dispersion :Mangan et al. CLEO CPPP3 (2004)Gerome et al. Opt. Lett. Vol.29 No. 23 (2004)

51

Fibre non linéaire à deux cœurs concentriques :élargissement spectraux hors cavité

300 600 900 1200 1500 1800-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 Puissance injectée (mW)

0.5 1 2 35

Pui

ssan

ce (

dBm

)

(nm)

Utilisation de la fibre pour pratiquer des élargissements spectraux :

• Injection dans le cœur central

• Spectre hors cavité

• Estimation numérique de la courbe de dispersion

52

Génération de supercontinuum intracavité

400 600 800 1000 1200 1400 1600-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Pu

issa

nce

(d

Bm

)

(nm)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Pui

ssan

ce n

orm

alis

ée

Temps (ns)

690ps

MAOPompe Milieu

à gain

Abs

orb

ant

satu

rabl

e

Fibre NL

Mesure par photodiode EOT 5000T

◄ Augmentation de la gigue causée par les pertes dans la FMAS

53

Conclusion généraleRésultats obtenus :• Découpe temporelle par RNLP

– technique très sélective en polarisation

– conservation d'une puissance crête importante

– exploitation de la RNLP uniquement• durée continûment accordable entre 650 et 60 ps• instable aux forts facteurs de raccourcissement

– exploitation de la RNLP et de la diffusion Raman stimulée• stabilité importante• possibilité de paires d'impulsions

• Gigue temporelle dans un système à 2 cavités– technique de diminution de la gigue de 2 ordres de grandeur

– possibilité d'intégration d'une FMAS pour élargir le spectre

Perspectives :

→ Combiner ces techniques pour obtenir une sources destinée à la cytométrie

→ Amplifier les impulsions raccourcies

54

Revues internationales à comité de lecture :

• Optics Letters / Vol. 33, No. 16, p. 1789 (2008)

• Optics Letters / Vol. 34, No. 14, p. 2087 (2009)

Conférences internationales :

• CLEO Europe/IQEC, Munich, Allemagne (2009)

• Symposium on optronics in defence and security OPTRO, Paris, France (2010)

• 14th International conference "Laser Optics 2010", St Petersbourg, Russie (2010)

• 14th International conference "Laser Optics 2010", St Petersbourg, Russie (2010)

Conférences nationales :

• 26ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Grenoble (2007)

• 11ième Colloque sur les lasers et l'optique quantique COLOQ, Mouans-Sartoux (2009)

• 29ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Besançon (2010)

• 29ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Besançon (2010)

Brevets :

• Demande de brevet France N° 09/02987 déposé le 9 juin 2009 (CNRS, Université de Limoges, société CILAS), Extension PCT demandée le 13/04/2010

• Demande de brevet France N° 09/02986 déposé le 19 juin 2009 (CNRS, Université de Limoges, société CILAS), Extension PCT demandée le 13/04/2010

Valorisation

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Documents

1 Sources d'impulsions brèves basées sur des procédés de découpe non linéaires au sein d'une fibre optique ; nouvelles sources déclenchées à cavités couplées