Génération de peignes de fréquences par modulation électro-optique et applications

Frequency comb generation by electro-optic modulation and applications

• Auteur / Autrice : Alexandre Parriaux
• Direction : Guy Millot, Kamal Hammani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : John Michael Dudley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Amy-Klein, Delphine Marris-Morini, Stéphane Pitois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Mussot, Hugues Guillet de Chatellus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie laser

Photonique

Gyroscopes optiques

Mots clés libres

Peigne de fréquences

Fibre optique

Photonique

Spectroscopie

Frequency combs

Optical fibers

Photonics

Spectroscopy

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse rapportent le développement d'un spectromètre à deux peignes de fréquences basé sur la modulation électro-optique d'un laser continu, ainsi que son utilisation pour la spectroscopie dans le proche et le moyen infrarouge.Depuis leur découverte dans les années 1960, les peignes de fréquences ont révolutionné le domaine de la physique, que ce soit en métrologie comme en spectroscopie, ce qui a valu le prix Nobel de physique en 2005. Dans ce dernier domaine d'applications, les spectromètres basés sur des peignes de fréquences demeurent toutefois relativement complexes à développer et à utiliser. Une possibilité pour pallier à ces désavantages est de concevoir le spectromètre à partir de modulateurs électro-optiques, ce qui rend le montage expérimental plus simple d'utilisation, notamment en raison de son caractère tout fibré et de l'absence de système d'asservissement.Les travaux effectués et rapportés dans cette thèse décrivent dans un premier temps la conception d'un spectromètre à deux peignes de fréquences à base de modulateurs électro-optiques. Nous verrons les avantages et inconvénients de cette technique, notamment pour les applications spectroscopiques, ainsi que les apports des phénomènes non-linéaires dans les fibres optiques pour améliorer le montage expérimental.Dans une seconde partie, nous verrons comment il est possible d'étendre les capacités d'analyses du spectromètre aux alentours de 2~µm, soit directement par modulation électro-optique adaptée, soit par conversion de fréquences dans des fibres optiques spécifiques. Enfin, dans une troisième partie, nous montrerons la possibilité d’étendre notre montage expérimental dans le moyen infrarouge grâce à l'utilisation de cristaux non-linéaires.Cette dernière extension dans un domaine spectral très propice à la spectroscopie nous permettra d'aborder des applications très particulières comme l'analyse de l'air expiré par le corps humain.

The work presented in this thesis relates the development of a dual frequency comb spectrometer based on the electro-optic modulation of a continuous wave laser, and its utilisation for spectroscopic applications in the near- and mid-infrared.Since their discovery in the 1960s, frequency combs have revolutionised the physics, especially in metrology but also in spectroscopy, which lead to the Nobel Prize in Physics in 2005. In this domain of applications, dual frequency comb spectrometers are known to be complex to develop and use. A possibility to bypass these constraints is to build the spectrometer with electro-optic modulators. This particular architecture makes the experimental setup easy to use, thanks to the all-fibered feature and the lack of enslavement needed.In this manuscript, the work related describe first the architecture of a dual-comb spectrometer based on electro-optic modulators. We will see the advantages and disadvantages of the technique, especially for spectroscopic applications. We will also see the benefits of nonlinear phenomena in optical fibers to improve the experimental setup. Then, we show how the spectral range of the spectrometer can be extended around 2~µm, either by direct electro-optic modulation, or by frequency conversion in specific optical fibers.Finally, we will see the possibility to reach the mid-infrared by using nonlinear crystals. This last spectral extension will allow us to probe a spectral region highly suitable for spectroscopy, and hence to realise specific applications such as exhaled breath analysis.