Optimisation de cavités laser fibrées et spectroscopie à deux peignes de fréquences

Optimization of fibre laser cavities and dual-comb spectroscopy

• Auteur / Autrice : Alix Malfondet
• Direction : Guy Millot, Patrice Tchofo Dinda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Grelu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Galtier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Couderc, Ammar Hideur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gyroscopes optiques

Électrooptique

Solitons

Mots clés libres

Cavités laser fibrées

Optimisation

Conversion de fréquences

Spectroscopie à deux peignes de fréquences

Fibre laser cavities

Optimization

Frequency conversion

Dual-Comb spectroscopy

Résumé

Cette thèse propose de nouvelles techniques de design et configuration de cavités laser fibrées à modes bloqués, pour générer de manière plus efficace des solitons mono-impulsion et multi-impulsions. Le second volet de la thèse développe une technique de spectroscopie à deux peignes de fréquences par modulation électro-optique. Les travaux de la thèse se concentrent d’abord sur un dispositif appelé "miroir à boucle optique non linéaire" (NOLM), pour lequel nous élaborons une nouvelle technique expérimentale de détermination de la fonction de transfert. Notre NOLM est conçu à l’aide de composants accordables manuellement, afin de pouvoir ajuster sa fonction de transfert de manière calibrée. Nous démontrons ensuite que ce NOLM peut servir comme élément de blocage de modes dans un laser à fibre, et que sa présence permet de configurer la cavité laser de façon à générer des impulsions de manière contrôlée et reproductible, tout en préservant le caractère auto-démarrant du laser. Avec cette même cavité, nous démontrons que la fonction de transfert du NOLM peut être ajustée de manière à générer un nouveau type d’impulsion, que nous appelons "soliton à ailes repliables". Ce soliton affiche des caractéristiques uniques, dont la plus remarquable est la présence d’une excroissance à chaque extrémité de son profil d’intensité. Ce soliton utilise ces excroissances d’intensité pour interagir avec d’autres solitons et former facilement des molécules de soliton. Ensuite, nous présentons une autre configuration de la cavité laser, qui utilise un absorbant saturable de type SESAM et un filtre passe-bande pour réduire drastiquement la puissance de pompage requise pour la génération des structures multi-impulsions. Le dernier chapitre de cette thèse est dédié à la conversion de fréquence et à la spectroscopie à deux peignes de fréquences. Nous produisons tout d’abord des peignes de fréquence à 1.55 µm par modulation électro-optique, avant de les convertir à 2 µm par un mélange à quatre ondes à l’intérieur d’une fibre spécialement conçue et fabriquée par le laboratoire XLIM de l’université de Limoges. Ces deux peignes de fréquences sont ensuite utilisés pour l’analyse de gaz (dioxyde de carbone et protoxyde d’azote). Le bon accord entre nos mesures spectroscopiques et les données de la littérature démontrent l’efficacité du spectromètre.

This thesis proposes new techniques for the design and configuration of mode-locked fiber laser cavities, which allow for more efficient generation of single and multiple pulse solitons. The second part of the thesis develops a two-frequency comb spectroscopy technique using electro-optical modulation. The thesis work first focuses on a device called Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM), for which we have developed a new experimental technique for the determination of the transfer function. Our NOLM is designed using manually adjustable components, which allow its transfer function to be adjusted in a calibrated manner. We then demonstrate that this NOLM can be used as a mode locking element in a fiber laser, and that its presence allows the laser cavity to be configured to generate pulses in a controlled and reproducible manner, while preserving the self-starting feature of the laser. With the same cavity, we demonstrate that the transfer function of the NOLM can be adjusted to generate a new type of pulse, which we call “folding-wing soliton”. This soliton exhibits unique characteristics, the most remarkable of which is the presence of an outgrowth at each end of its intensity profile. This soliton uses these intensity outgrowths to interact with other solitons and easily form soliton molecules. Next, we present another configuration of the laser cavity, which uses a SESAM-type saturable absorber and a band-pass filter to drastically reduce the pumping power required for the generation of multi-pulse structures. The final chapter of this thesis is dedicated to frequency conversion and two-frequency comb spectroscopy. We start by producing frequency combs at 1.55 µm by electro-optical modulation, before converting them to 2 µm by a four-wave mixing process inside a fiber specially designed and manufactured by the XLIM laboratory of the University of Limoges. These two frequency combs are then used for the analysis of gases (carbon dioxide and nitrous oxide). The good agreement between our spectroscopic measurements and the data in the literature demonstrates the efficiency of the spectrometer.