Sources optiques fibrées solitoniques pour la spectroscopie et la microscopie non linéaires

Soliton-based fiber light sources for nonlinear spectroscopy and microscopy

• Auteur / Autrice : Sarah Saint-Jalm
• Direction : Hervé Rigneault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 25/11/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Albert Stolow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Rigneault, Marcus Motzkus, Christophe Finot, Esben Ravn Andresen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcus Motzkus, Christophe Finot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solitons

Cristaux photoniques

Fibres optiques

Impulsions picosecondes

Mots clés libres

Microscopie nonlinéaire

Spectroscopie nonlinéaire

Illumination par fibre optique

Impulsions ultra courtes

Fibres à cristaux photoniques

Fibres à bandes interdites photoniques

Solitons optiques

Nonlinear microscopy

Nonlinear spectroscopy

Fiber delivery

Ultra-Short pulses

Photonic crystalfibers

Photonic bandgap fibers

Optical solitons

Résumé

Un des problèmes à résoudre lors de la réalisation d'un endoscope non linéaire pour des applications biomédicales concerne la propagation d'impulsions ultra courtes dans une fibre optique. Les processus non linéaires concernés nécessitent de grandes puissances d'excitation, réalisables seulement pour des impulsions de très courte durée qui sont déformés et allongés par la dispersion et les non linéarités des fibres. La plupart des techniques d'illumination fibrées pour la microscopie non linéaire emploient des systèmes de pré-compensation pour neutraliser les effets de ces phénomènes. Dans ce travail, nous explorons les possibilités offertes par la formation de solitons de grande énergie dans une fibre à bandes interdites photoniques à coeur solide. Les solitons optiques ont la propriété de conserver leur forme lors de leur propagation, et leur durée reste proche de la valeur minimum définie par la limite physique imposée par leur largeur spectrale, sans avoir besoin de recourir à un système de pré-compensation. De plus, la longueur d'onde et le retard relatif des solitons peuvent être accordés en changeant la puissance lumineuse en entrée de fibre. Plusieurs sources de lumière ont été conçues et réalisées, pour générer de nombreux contrastes non linéaires. Des images d'échantillons biologiques ont d'abord été réalisées en tirant profit de la courte durée des solitons. Puis, des mesures d'absorption transitoire ont été menées dans une configuration pompe-sonde en contrôlant le retard des solitons dans la fibre. Enfin, un montage de CRS basé sur le principe de focalisation spectrale a été réalisé, et son utilité a été démontrée en suivant un équilibre chimique.

One of the issues that has to be overcome to realize a nonlinear endoscope for biomedical applications is the propagation of ultra-short pulses in an optical fiber. Nonlinear processes require high peak powers in the focal volume in order to generate observable signals, so the pulses should be as short as possible. This makes them sensitive to the dispersion and nonlinearities of the fibers. Most of the existing techniques of ultra-short pulses fiber-delivery rely on complex pre-compensation systems to counteract these effects. In this work, we explore the possibilities offered by the generation of high-energy solitons in a custom-built solid-core photonic bandgap fiber, for nonlinear microscopy and spectroscopy. Optical solitons preserve their shape when they propagate in a fiber, and their duration remains close to the minimum value physically allowed by their bandwidth, without the need of any pre-compensation. Moreover, the wavelength and delay of the soliton can be tuned by changing the power at the input of the fiber. Several soliton-based light sources were designed and realized, generating contrast in the most prevalent nonlinear microscopy modalities. TPEF and SHG images of biological samples were first realized by taking advantage of the short duration of the solitons. By controlling the delay of the soliton, transient absorption measurements were then realized in a pump-probe configuration. Finally, the wavelength tunability of the soliton was used to generate the Stokes beam in a CRS setup based on the spectral focusing technique. The capabilities of this scheme were demonstrated by performing CRS microspectroscopy to monitor a chemical equilibrium.