Dynamique et turbulence d’ondes dans les systèmes optiques multimodes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Wave dynamics and turbulence in multimode optical systems

Dynamique et turbulence d’ondes dans les systèmes optiques multimodes

Résumé

The subject of this thesis essentially focuses on the experimental and theoretical study of optical turbulence in different types of nonlinear media. The first part of the manuscript is devoted to the study of thermalization and condensation of optical waves during their propagation in graded-index multimode fibers. The analysis based on the wave turbulence theory reveals that the disorder inherent to light propagation in an optical fiber induces a significant acceleration of the process of optical thermalization, which can clarify the mechanism of certain regimes of spatial beam cleaning recently reported in the literature. We show experimentally that the optical field relaxes during its propagation towards the Rayleigh-Jeans thermodynamic equilibrium distribution. The phase transition to the condensed state manifests itself by a macroscopic population of the fundamental mode of the optical fiber with a fraction of condensed power in agreement with the Rayleigh- Jeans theory. The thermodynamic properties of classical wave condensation are discussed, as well as their differences with the quantum Bose-Einstein condensation. In the second part of the manuscript, we study the spontaneous formation of solitons («soliton condensation ») in the presence of long-range gravitational interactions within the framework of the Newton- Schrödinger equation. We highlight a new regime which is characterized by the formation of «hidden» solitons in the sense that the solitons are fully immersed in the surrounding fluctuations of the incoherent field : The solitons are difficult to identify in the spatiotemporal evolution of the field, while their existence is unveiled in the phase space representation (optical spectrogram). On the basis of the Vlasov formalism of wave turbulence, we show that the solitons are trapped and stabilized by the surrounding incoherent fluctuations. On the other hand, aside from optical turbulence, we experimentally demonstrate stimulated Raman scattering in a hollow core fiber filled with CO2. The experiments carried out show that despite a low injected power and a relatively low gas pressure, the first two Stokes lines are clearly observed with a remarkable intensity thanks to the effective long interaction length. Finally, we show a good qualitative agreement between the experimental measurements and the numerical simulations of the nonlinear Schrödinger equation.
Le sujet de cette thèse porte essentiellement sur l’étude expérimentale et théorique de la turbulence d’ondes optiques se propageant dans différents milieux non linéaires. La première partie du manuscrit est consacrée à l’étude de la thermalisation et de la condensation d’ondes optiques qui se propagent dans des fibres multimodes à gradient d’indice. L’ana- lyse basée sur la théorie de turbulence d’ondes révèle que le désordre inhérent à la propagation dans la fibre optique induit une accélération significative du processus de thermalisation optique, ce qui permet de clarifier le mécanisme de certains régimes de nettoyage de faisceau optique reportés récemment. Nous montrons expérimentalement que le champ optique relaxe au cours de sa propagation vers la distribution d’équilibre thermodynamique de Rayleigh-Jeans. La transition de phase vers l’état condensé se manifeste par une population macroscopique du mode fondamental de la fibre optique avec une fraction de puissance condensée en accord avec la théorie de Rayleigh-Jeans. Les propriétés thermodynamiques de la condensation d’ondes classiques sont discutées, ainsi que les différences avec la condensation de Bose-Einstein quantique. Dans la deuxième partie du manuscrit nous étudions la formation spontanée de solitons («condensation de solitons») en présence d’interactions gravitationnelles à longue portée dans le cadre de l’équation de Newton-Schrödinger. Nous mettons en évidence un nouveau régime qui se caractérise par la formation de solitons «cachés» dans le sens où les solitons sont immergés dans les fluctuations environnantes du champ incohérent : Les solitons sont difficilement identifiés dans l’évolution spatio-temporelle du champ, alors que leur existence est dévoilée dans l’espace des phases (spectrogramme optique). Sur la base d’un formalisme de Vlasov de turbulence d’ondes, nous montrons que les solitons sont piégés et stabilisés par les fluctuations incohérentes environnantes. Par ailleurs, dans un domaine différent de la turbulence d’onde, nous mettons en évidence expérimentalement la diffusion Raman stimulée en fibre à cœur creux remplie de CO2. Les expériences réalisées montrent qu’en dépit d’une faible puissance injectée et d’une relativement faible pression du gaz, les deux premières raies Stokes sont clairement observées avec une forte intensité grâce à une grande longueur d’interaction effective. Nous montrons un bon accord qualitatif entre les mesures expérimentales et les simulations numériques de l’équation de Schrödinger non linéaire.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03584258 , version 1 (22-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03584258 , version 1

Citer

Kilian Baudin. Dynamique et turbulence d’ondes dans les systèmes optiques multimodes. Physique [physics]. Université Bourgogne Franche-Comté, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UBFCK055⟩. ⟨tel-03584258⟩
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