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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.

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1 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 Doutre le 5 novembre 2010 Membres du jury : Patrick GeorgesAlain Jalocha François SanchezVincent Couderc Michèle LalandeDominique Pagnoux Ammar Hideur

2 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 10 4 )

3 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 Polynucléaires neutrophiles Monocytes Lymphocytes Détecteurs 3 présence d'un antigène spécifique Fluorochrome Anticorps Cellule marquée La présence de molécules fluorescentes (détecteur 3)

4 4 La fluorescence en cytométrie Rappel sur la fluorescence : Excitation à une longueur d'onde λ 1 Émission une longueur d'onde λ 2 Niveau fondamental Niveaux excités λ1λ1 λ2λ2 1,8-ANS Alexa Fluor ROX TOTO-3 Alexa Fluor 750 Une source par λ d'excitation Sauf cas particulier :

5 5 Détection multiple Détection de plusieurs marqueurs excitation multilongueur d'onde λ (nm) 375 nm488 nm594 nm752 nm Avantage : Analyse plus exhaustive Inconvénient : Complexité accrue du dispositif

6 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 µs Sachant : 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 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 Contrainte : Durée d'impulsion <

8 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 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 10 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

11 11 Sources lasers impulsionnelles CaractéristiquesQ-switchML Durée d'impulsion0,5 à 2 nsfs / ps Gigue temporelle>5 µsfs à ps Taux de répétition 1 à 100 kHz >MHz Volume1 L100 L Coût quelques k dizaines de k Laser blanc ?Oui Verrouillage de modes ou ML (Mode-lock) A déclenchement ou Q-switch

12 12 Choix d'un type de source Laser déclenché miniature : microlaser ou laser "microchip" Diode de pompe 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 ) gigue temporelle 65 ps (Hansson et al. Electron. Lett. Vol.36 No )

13 13 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

14 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) L non linéaire << L dispersion (au moins 6 ordres de grandeurs) Paire de réseaux de longueur 50 cm Profils temporels Profils spectraux

15 15 Rotation non-linéaire de polarisation (ou RNLP) temps nono nene Milieu biréfringent : déformation de l'ellipse de polarisation lors de la propagation Biréfringence non linéaire : n o et n e dépendent de l'intensité du champ θ

16 16 Description mathématique Équations de Schrödinger non linéaires (ESNL) : Laser P transmi s Auto modulation de phase Modulation de phase croisée

17 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, Opt. Lett. Vol.7 No.10 (1982) Nishizawa & Murayama, Opt. Lett. Vol.32 No.24 (2007)

18 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 19 Description mathématique plus complète 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 20 Description mathématique ESNL dans un milieu faiblement biréfringent : Laser P transmi s Couplage cohérent

21 21 Résolution numérique L fibre =5 m β 1xβ 1y α0 Diffusion Raman négligée Résolution numérique : méthode split-step Fourier Erreur de l'ordre dz² ESNL simplifiée : Paramètres de simulation : λ=1064 nmP crête entre 1 et 10 kW Durée d'impulsion=650 ps L B =1 mβ 2 =16,5 ps 2 km -1 γ=2 W -1 km -1 Effets Dispersifs A(t,z=0) Non Linéarités TF A(t,z+dz) TF -1

22 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 23 Validation de la méthode : effets non linéaires Compétition entre les effets non linéaires et dispersif (durée 100 ps, P crête =100 W) Élargissement spectral d'une impulsion principalement soumise aux non-linéarités (durée 500 ps, P crête =2 kW) 100 ps 500 ps

24 24 Méthode de recherche systématique Puissance crête P crête Orientation de polarisation d'injection θ in Orientation de polarisation à l'émergence θ out Analyse des profils temporels θ out +δθ θ in +δθ P crête +δPcrête

25 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 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 27 Montage expérimental Laser Nd:YAG JDSU : P crête =12 kW f rép. =7,9 kHz Fibre Corning HI1060 : L6 mL B 1 m Oscilloscope Tektronix : Résolution 20 ps Analyseur de spectre : Résolution 10 pm

28 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 : ΔtΔν0,62 A partir d'un facteur de découpe >3, une structuration des pieds des impulsions apparaît.

29 29 Comparaison entre simulation et expérience A partir d'une impulsion raccourcie expérimentalement : P crête =2,3 kWθ in expé 16±4°θ out expé = ? On recherche une impulsion numérique raccourcie avec un profil similaire (en calculant l'intégrale de recouvrement) avec : une puissance crête initiale de P crête =2,3 kW un angle θ in num dans la gamme [12° ; 20°] et θ out num dans la gamme [0 ; 180°] La meilleure correspondance est obtenue pour : θ in num =19,3° θ out num =178°

30 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 31 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

32 32 Diffusion Raman stimulée Niveau fondamental Niveaux virtuels λ1λ1 λSλS λ AS λ1λ1 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 33 Effet de la diffusion Raman stimulée Apparition lorsque P crête >2,3 kW (proche du seuil théorique de 2 kW) L NL << L << L Disp forte distorsion du spectre faible distorsion temporelle

34 34 Combinaison avec la RNLP Système de filtrage Fibre 1m Microlaser + alimentation Contrôleur polarisation Facteur de découpe > ps

35 35 Discussion des résultats 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 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 37 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

38 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 39 État de l'art sur la réduction de gigue Modulation de la puissance de pompe Mandeville et col. Proc. SPIE Vol (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 microlaser Zayhowski 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 40 État de l'art sur la réduction de gigue Déclenchement passif par réinjection dans la cavité d'une fraction de l'impulsion précédente Nodop 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 41 Microlaser à deux cavités imbriquées photonsLaser MAO Pompe en dessous du seuil Microcavité (millimétrique) Milieu à gain Absorbant saturable Cavité longue (métrique) Déclenchement actif : piloté par le modulateur acousto-optique faible gigue Durée d'impulsion : déterminée par la microcavité impulsion sub-nanoseconde

42 42 Équations d'état d'un système à deux cavités Déclenchement actif simulé par une brusque augmentation de la réflectivité du miroir d'extraction WpWp Milieu à gain Absorbant saturable Flux de photon (φ) Inversion de population (N) Population état : - fondamental N g - excité N e Résolution de ces équations à l'aide d'un solveur ODE23

43 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 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 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 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 (M 3 Rmax) diminue l'extraction des impulsions. Possibilité d'extraire via une conversion de fréquence ?

47 47 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

48 48 Élargissement spectral intracavité Pompe en dessous du seuil Milieu à gain Absorbant saturable Génération d'un supercontinuum afin d'assurer l'extraction d'un signal large bande d'une cavité surtendue à 1064 nm M 3 R 1064 nm MAO Milieu NL

49 49 État de l'art sur les sources larges bandes Source laserMilieu 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 dondes 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 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 51 Fibre non linéaire à deux cœurs concentriques : élargissement spectraux hors cavité 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 52 Génération de supercontinuum intracavité 690ps MAO Pompe Milieu à gain Absorbant saturable Fibre NL Mesure par photodiode EOT 5000T Augmentation de la gigue causée par les pertes dans la FMAS

53 53 Conclusion générale Résultats 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 54 Revues internationales à comité de lecture : Optics Letters / Vol. 33, No. 16, p (2008) Optics Letters / Vol. 34, No. 14, p (2009) Conférences internationales : CLEO Europe/IQEC, Munich, Allemagne (2009) Symposium on optronics in defence and security OPTRO, Paris, France (2010) 14 th International conference "Laser Optics 2010", St Petersbourg, Russie (2010) Conférences nationales : 26 ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Grenoble (2007) 11 ième Colloque sur les lasers et l'optique quantique COLOQ, Mouans-Sartoux (2009) 29 ièmes 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

55 55 Merci de votre attention


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