Génération et micro-confinement de plasmas microondes dans des fibres optiques creuses microstructurées

Generation and micro-confinement of microwave plasmas in Hollow-Core Photonic Crystal Fibers

• Auteur / Autrice : Benoît Debord
• Direction : Fetah Benabid, Frédéric Gérôme, Raphaël Jamier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes. Photonique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz ionisés

Microstructure (physique)

Fibres optiques

Plasmas microondes

Mots clés libres

Ondes de surface

Fibres creuses à bande interdite photoniques (HC-PCF)

Fibres creuses Kagomé

Contour de coeur hypocycloïdal

Résumé

Une association originale d'une excitation microonde non-intrusive et sans électrode avec une fibre à coeur creux à cristal photonique (HC-PCF) a permis pour la première fois la génération et le confinement d'un plasma dans une structure photonique, ouvrant ainsi l'avènement d'une nouvelle discipline : "Plasma Photonics". Ces travaux comprennent une étude théorique et expérimentale pour exacerber le "couplage inhibé" d’une HC-PCF à maille de Kagomé. Ceux-ci ont mené au développement d'une HC-PCF présentant des pertes record de 17 dB/km à 1 μm et avec une forte courbure des arches formant le contour du coeur hypocycloïdal. Les résultats démontrent que l'exacerbation de cette forme hypocycloïdale présente 3 mérites : une diminution des pertes de propagation, un recouvrement de la puissance optique avec la silice très fortement réduit et enfin l'obtention d'un meilleur contenu modal. Basée sur cette étude, une fibre Kagomé à large coeur (i. E. Un diamètre de coeur ~100 μm) et guidant efficacement autour de 488 nm a été développée afin de faciliter la génération d'un plasma microonde stable. La génération de ce dernier repose sur un système original d'excitation et de maintien par une onde de surface microonde, et a donné lieu, pour la première fois, à la génération et au confinement d'un plasma au sein du cœur micrométrique d’une HC-PCF. Malgré le fait que la température du plasma soit proche de celle de la transformation du matériau microstructuré environnant, celui-ci est préservé. Ceci est expliqué théoriquement par une dynamique du plasma particulière à ces échelles micrométriques avec un rôle important joué par une gaine de charge d'espace près de la paroi interne du coeur.

A novel scheme enabling for the first time the generation and confinement of microwave plasma in a hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF) is achieved, thus paving the way to the advent of “Plasma photonics”. This is achieved by combining a non-intrusive and electrode-free microwave excitation with specifically designed HC-PCF. This work includes a theoretical and experimental study to enhance the "inhibited coupling" of a Kagomé cladding lattice HC- PCF. This led to the development of a HC-PCF with a record transmission loss of 17 dB/km at 1 μm, and exhibiting a hollow-core with hypocycloid contour with strong arc curvature. The results show that the enhancing of this core contour negative curvature has three virtues: the propagation losses are strongly reduced, the optical power overlap with silica core-surround is diminished and finally, a better modal content is obtained. Based on these findings, a large core (i. E. A core diameter of ~100 microns) Kagome HC-PCF and guiding around 488 nm is fabricated to facilitate the generation of stable microwave plasma. The generation of the latter is based on an original excitation and is sustained by a microwave surface-wave, which is turn led for the first time, to the generation and confinement of a plasma in the micrometric core of the HC-PCF. Despite the fact that the plasma has a temperature value close to that of the surrounding microstructured glassy material, the latter integrity is preserved. This is explained theoretically by a particular plasma dynamics at this micrometer scale with an important role played by a space charge sheath near the inner wall of the core.