Génération de supercontinuums par pompage multi-longueur d'onde

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1 Génération de supercontinuums par pompage multi-longueur d'onde
23èmes JNOG Paris, octobre 2004 Génération de supercontinuums par pompage multi-longueur d'onde dans les fibres optiques microstructurées Vincent Tombelaine, Philippe Leproux, Sébastien Février, Philippe Roy, Pierre-Alain Champert, Ludovic Grossard, Vincent Couderc

2 Plan de l’exposé Introduction Historique et état de l’art
Applications potentielles Les effets non linéaires à l’origine des supercontinuums Génération de supercontinuums par pompage à deux longueurs d’onde Conclusions et perspectives

3 Introduction Un continuum peut être défini comme une émission laser
couvrant une largeur spectrale importante. Exemple de continuum dans le visible

4 Comment générer un continuum ?
Introduction Comment générer un continuum ? Il n’existe aucune émission laser couvrant plus de quelques dizaines de nanomètres. Focalisation de la puissance d’un laser dans un milieu fortement non linéaire Spectre étroit Spectre large Laser Milieu non linéaire Types de laser :  continu  impulsionnel (nanoseconde, picoseconde, femtoseconde) Milieux non linéaires : gaz, liquides, solides

5 Quelques applications potentielles
Spectroscopie  Caractérisation et cartographie 3D des polluants atmosphériques Caractérisation d’éléments optiques  Transparence, dispersion, longueur d’onde de coupure (fibres optiques) Imagerie haute résolution (2D, 3D) (tomographie optique cohérente, microscopie confocale)  Analyse de tissus biologiques Diagnostic hématologique  Caractérisation de cellules, dépistage précoce de maladies infectieuses …

6 Historique et état de l’art
Dans les solides : R.R Alfano and S.L Shapiro, "Emission in the region 4000 to A via four-photon coupling in glass ", Phys. Rev. Lett. 24, , 1970. W. Yu, R. R. Alfano, C. L. Sam, and R. J. Seymour, "Spectral broadening of picosecond 1.06 m pulse in KBr", Opt. Commun., 14, , 1975. … Dans les liquides : W. Werncke, A. Lau, M. Pfeiffer, K. Lenz, H.-J. Weigmann, and C. D. Thuy, "An anomalous frequency broadening in water", Opt. Commun., 4, , 1972. W. Lee Smith, P. Liu, and N. Bloembergen, "Superbroadening in H 2 O and D 2 O by self-focused picosecond pulses from a YAlG:Nd laser", Phys. Rev. A, 15, , 1977. Dans les gaz : P. B. Corkum, C. Rolland, and T. Srinivasan-Rao, "Supercontinuum generation in gases", Phys. Rev. Lett., 57, , 1986. V. Francois, F. A. Ilkov, and S. L. Chin, "Experimental study of the supercontinuum spectral width evolution in CO2 gas", Opt. Commun., 99, , 1993. J. Kasparian, R. Sauerbrey, D. Mondelain, S. Niedermeier, J. Yu, J.-P. Wolf, Y.-B. Andre, M. Franco, B. Prade, S. Tzortzakis, A. Mysyrowicz, M. Rodriguez, H. Wille, and L. Woste, "Infrared extension of the supercontinuum generated by femtosecond terawatt laser pulses propagating in the atmosphere", Opt. Lett., 25, , 2000. Dans les fibres optiques : C. Lin and R. H. Stolen, "New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy", Appl. Phys. Lett., 28, , 1976. P. L. Baldeck, "Intensity effects on the stimulated four photon spectra generated by picosecond pulses in optical fibers", J. Lightwave Technol., 5, , 1987. J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm", Opt. Lett., 25, 25-27, 2000.

7 Historique et état de l’art
En régime femtoseconde : R. L. Fork, C. V. Shank, C. Hirlimann, R. Yen, and W. J. Tomlinson, "Femtosecond white-light continuum pulses", Opt. Lett., 8, 13, 1983. J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm", Opt. Lett., 25, 25-27, 2000. En régime picoseconde : W. Lee Smith, P. Liu, and N. Bloembergen, "Superbroadening in H 2 O and D 2 O by self-focused picosecond pulses from a YAlG:Nd laser", Phys. Rev. A, 15, , 1977. Stephane Coen, Alvin Hing Lun Chau, Rainer Leonhardt, John d. Harvey, Jonathan C. Knight, William J. Wadsworth, and Philip st J. Russell, " Supercontinuum generation by stimulated Raman scatering and parametric four-wave mixing in photonic crystal fiber ", J. Opt. Soc. Am. B, 19, , 2002. En régime nanoseconde : C. Lin, "New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy", Appl. Phys. Lett., 28, , 1976. A. Mussot, T. Sylvestre, L. Provino and H. Maillotte, "Generation of a broadband singlemode supercontinuum in a conventional dispersion shifted fiber by use of a subnanosecond microchip laser ", Optics Letters, 28, 18-20, 2003. En régime continu : A. V. Avdokhin, S. V. Popov, J. R. taylor, "Continuous wave, high power, Raman continuum generation in holey fibers", Opt. Lett., 28, , 2003. A. Mussot, E. Lantz, H. Maillotte, T. Sylvestre, C. Finot and S. Pitois", Spectral broadening of a partially coherent CW laser beam in single-mode optical fibers" , Optics Express, 12, 28-38, 2004. P. A. Champert, V. Couderc, A. Barthélémy, "  µm, multi-watt, continuum generation in dispersion shifted fiber by use of high power continuous-wave fiber source", PTL, IEEE, 16, , 2004. Des spectres de plus de 800 à 1000 nm de large ont été obtenus dans les différents régimes d’excitation (fs, ps, ns, CW).

8 Supercontinuum dans les fibres optiques
Confinement important du champ électromagnétique sur des longueurs de propagation importantes Possibilité de modification des conditions de propagation (dispersion, distribution transverse du champ modal, biréfringence, confinement) Seuil de destruction de la silice bas

9 Effets non linéaires dans les fibres
Automodulation de phase (SPM) Modulation de phase croisée (XPM) Effets solitons multiples Effet Raman stimulé (SRS) Mélange à quatre ondes (FWM) Instabilités de modulation (MI) (cohérente et incohérente : G. Millot et al., Phys. Rev. E, 61, 2000 Pitois et al., Opt. Comm., 226, 2003) l Le cumul de l’ensemble de ces effets avec une importance plus ou moins grande suivant les conditions de propagation dans la fibre (dispersion, biréfringence) et de l’excitation utilisée (femto, pico, nano, continue) permet la génération d’un supercontinuum.

10 Génération de supercontinuums dans les fibres unimodales transverses
Méthode communément utilisée : Excitation unique d’une fibre optique près du zéro de dispersion en régime de dispersion normale ou anormale normale anormale Exemple de courbe de dispersion chromatique dans une fibre Pompe visible But : Associer l’ensemble des effets non linéaires pour obtenir le maximum d’élargissement spectral

11 Génération de supercontinuums dans les fibres unimodales transverses
Exemple : Champert et al., PTL, 2004 (fibre silice) Zéro de dispersion Dispersion normale Dispersion anormale (3nm) Développement du continuum Pompe Le signe de la dispersion joue un rôle prépondérant dans la génération du continuum.

12 Génération de supercontinuums par pompage à deux longueurs d’onde

13 Génération de supercontinuums par pompage multi-longueur d’onde
Montage expérimental : Fibre microstructurée L ~ 4 m KTP type II Nd:YAG lp = 1064 nm t = 600 ps, F = 5,4 kHz Pcrête ~ 20 kW Continuum Fibre optique Guidage unimodal dans le visible et l’IR

14 Dispersion chromatique
Caractéristiques de la fibre microstructurée Dispersion normale Dispersion anormale Réalisation IRCOM : 532 nm 1064 nm Dispersion chromatique (ps/nm/km) Longueur d’onde (µm) d ~ 1.5 µm Aire effective (µm²)  ~ 2.2 µm Longueur d’onde (µm)

15 Elargissement dans le visible
lp=532 nm 532 nm nm 400 nm 15 dB Psortie = 6 mW Puissance (dB) Niveau (dB) Longueur d’onde (nm)

16 Elargissement dans l’infrarouge
5 dB OH- Niveau (dB) 1064 nm Longueur d’onde (nm)

17 Profil spatial du faisceau de sortie
Filtrage spectral Passe bande Faisceau incident Champ lointain

18 Influence des puissances de pompe sur le profil du spectre de sortie
Excitation unique 532 nm 1064 nm (dispersion anormale) (dispersion normale) Niveau (dB) Augmentation de la puissance à 532 nm 1064nm (SRS) (SRS+SPM+XPM+FWM)

19 Influence des puissances de pompe sur le profil du spectre de sortie
Excitation simultanée à 532 nm (300 W) et à 1064 nm P532 = cste Disparition progressive des raies Raman avec augmentation de la puissance à 1064 nm Niveau (dB) Puissance (dB) P1064 (variable)

20 Excitation simultanée à 532 nm (20 W) et à 1064 nm
Influence de la cascade Raman sur la génération du spectre dans le visible Excitation simultanée à 532 nm (20 W) et à 1064 nm Augmentation de la puissance IR à 1064 nm avec P532 = cste Spectre visible Spectre IR Niveau (dB) Puissance (dB) Niveau (dB) Puissance (dB) La cascade Raman ne participe pas à l’établissement du spectre visible.

21 Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
Premières constatations (double pompage) : Génération d’un spectre « lisse » dans l’IR entre 1000 et 1800 nm Disparition de la cascade Raman (visible) pour un pompage à 1064 nm suffisamment important (P1064/P532 ~ 2,5) L’élargissement spectral dans le visible ( nm) est lié au pompage à 1064 nm. La cascade Raman n’est pas à l’origine de l’élargissement du spectre dans le visible. Le transfert de l’énergie de l’IR vers le visible est réalisé par un double effet de mélange à quatre ondes. Explications

22 Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
Etape 1 : Création d’un supercontinuum dans l’IR : pompage à 1064 nm (régime de dispersion anormale) Effets non linéaires : Raman Mélange à quatre ondes Automodulation de phase Etape 2 : Création d’un continuum dans la région nm Effets non linéaires : Mélange à quatre ondes l2 1064 nm l3 435 nm l4 1900 nm l1 532 nm Conservation de l’énergie : 1/l1+1/l2=1/l3+1/l4 DfNL Accord de phase : b1+b2-b3-b4+DfNL=0 (1,1 µm - 1,9 µm) (0,42 µm - 0,532 µm) Construction progressive du supercontinuum tout au long de la propagation dans la fibre

23 Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
532 nm l3 435 nm l4 684 nm Etape 3 : Création d’un continuum dans la région nm Effets non linéaires : Mélange à quatre ondes dégénéré Conservation de l’énergie : 2/l1=1/l3+1/l4 Accord de phase : 2b1-b3-b4+DfNL=0 DfNL Niveau (dB) (0,4 µm - 0,532 µm) (0,532 µm - 0,75 µm) La compétition entre le gain paramétrique et le gain Raman est à l’origine de la disparition plus ou moins prononcée de la cascade Raman. (S. Trillo et al., JOSA B, 9, 1061, 1992 ; S. Pitois et al., Opt. Lett., 23, 1456, 1998)

24 Amélioration des performances
Nouvelle fibre (1) en silice spéciale UV Fibre 1 Fibre 2 Fibre 3 Niveau (dB) Puissance (dB) Longueur d’onde (nm)

25 Amélioration des performances
Nouvelle fibre (2) :  décalage de la courbe de dispersion vers les basses longueurs d’onde  apparition d’un second zéro de dispersion (1100 nm) ? 710 nm 860 nm

26 Amélioration des performances
Elargissement obtenu avec la nouvelle fibre (2) : 5 dB 10 dB 5 dB Niveau (dB) Psortie = 5 mW Longueur d’onde (nm)

27 Conclusions et perspectives
Les supercontinuums ont été largement étudiés depuis plus de 30 ans. Génération d’un continuum avec double pompage (532 nm nm) dans une fibre optique unimodale microstructurée en régime nanoseconde Obtention d’un continuum dans l’IR ( nm) et dans le visible ( nm) Le spectre visible est engendré par un double effet de mélange à quatre ondes à partir du spectre IR. Le gain paramétrique est à la base de la disparition de la cascade Raman (dispersion normale). Possibilité d’engendrer un spectre large couvrant l’ensemble du domaine de transparence de la silice Perspectives : Etude du multi-pompage en régime picoseconde (10 MHz) et en régime continu Développement de fibres à double zéro de dispersion ou à dispersion chromatique «évolutive » Etude plus approfondie de la compétition entre les effets stimulés et les instabilités de modulation en régime de dispersion normale

28 Dépôt de brevet en cours
Remerciements Support financier Dépôt de brevet en cours Explore the future HORIBA GROUP  A. Barthélémy, C. Froehly, T. Sylvestre, J. Dudley, S. Coen (discussions)  J. L. Auguste, J. M. Blondy (fabrication des fibres)

29 Questions ?

30 Annexes

31 SHG dans les fibres microstructurées
25dB 532nm Pompage unique à 1064nm 1064nm 355nm Sans effet de « poling » optique (GSH dans les Fibres: U. ôsterberg, W; Margulis, Opt. lett. 11, 1986)