Development of few-cycle fiber lasers in the mid-infrared
Élaboration de lasers few-cycle à fibres optiques dans le moyen-infrarouge
Résumé
The propagation of sub-picosecond pulses from high-energy lasers in passive optical fibers might trigger a unique propagation regime known as the "solitonic regime". This particular regime, emanating from the interaction between self-phase modulation and chromatic dispersion, makes it possible to produce fundamental solitons of few tens of femtoseconds by the multi-soliton fission of the source pulse. The wide spectrum of fundamental solitons allows them to undergo intra-pulse Raman scattering, which results in a self-frequency shift of the pulse towards longer wavelengths during its propagation in the optical fiber. Multi-soliton fission and soliton self-frequency shift allow for the generation of wavelengthtunable pulses in the mid-IR. This thesis aims to develop a laser source with high peak power at long wavelengths via the exaltation of these nonlinear effects in dedicated optical fibers. The spectral region, between 2.5 and 5 μm, is not fully covered by the direct emission of solid or fiber lasers. The transparency of silica fibers being limited to 2.4 μm, the exploration of another type of optical fiber was necessary. Fluoride fibers, transparent up to 4.8 μm, are an ideal platform for this type of application. The use of large mode area fibers allows the generation of high peak power pulses. In this work, the exploitation of the solitonic regime in a chain of silica and fluoride fibers made the generation of high peak power pulses in the mid-infrared frequency band possible: 1.2 MW at 2.27 μm, 0.5 MW at 3.03 μm and 35 kW at 4.5 μm. These sources allow for the generation of a supercontinuum in chalcogenide fibers, covering two octaves from 2 to 8 μm. The wide spectral band of the source developed covers the absorption lines of several greenhouse gases. The last chapter of this thesis presents a spectroscopic study of the absorption of methane gas CH4 using this supercontinuum source.
La propagation d’impulsions sub-picosecondes issues des lasers à haute énergie dans des fibres optiques passives déclenche, sous certaines conditions, un régime de propagation unique connu sous le nom de « régime solitonique ». Ce régime particulier, émanant de l’interaction entre l’automodulation de phase et la dispersion chromatique, permet de produire des solitons fondamentaux de quelques dizaines de femtosecondes grâce à la fission multi-solitonique de l’impulsion-source. Le large spectre des solitons fondamentaux leur permet de subir la diffusion Raman intra-impulsionnelle qui a pour conséquence un auto-décalage spectral de l’impulsion vers les hautes longueurs d’onde lors de sa propagation dans la fibre optique. La fission multi-solitonique et l’auto-décalage fréquentiel des solitons permettent de générer des impulsions accordables en longueur d’onde dans l’IR moyen. Cette thèse a pour but de développer une source laser à haute puissance crête à de hautes longueurs d’onde. La région spectrale entre 2,5 et 5 μm est peu couverte par l’émission directe des lasers solides ou fibrés. La transparence des fibres en silice étant limitée à 2,4 μm, l’exploration d’un autre type de fibres optiques a été nécessaire. Les fibres optiques en verre fluoré, transparentes jusqu’à 4,8 μm, se présentent comme une plateforme idéale pour ce genre d’applications. L’utilisation de fibres à grande surface modale permet la génération d’impulsions de forte puissance crête. Dans ces travaux, l’exploitation du régime solitonique dans une cascade de fibres optiques en silice et en verre fluoré a permis de produire des impulsions de forte puissance crête dans la bande de fréquence moyen infrarouge : 1,2 MW à 2,27 μm, 0,5 MW à 3,03 μm et 35 kW à 4,5 μm. Ces sources permettent la génération de supercontinuum dans l’IR moyen dans des fibres en verres de chalcogénure. La génération d’un SC couvrant deux octaves, de 2 à 8 μm, a été obtenue dans une fibre microstructurée air-chalcogénure. La large bande spectrale des supercontinuum couvre les raies d’absorption de plusieurs gaz polluants dont le méthane et le dioxyde carbone. La dernière partie de cette thèse présente une étude spectroscopique de l’absorption du gaz méthane CH4 dans l’air à l’aide de cette source supercontinuum fibrée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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