Nouvelles sources supercontinuum à fibre optique multimode effilée en verres dechalcogénures pour la gamme infrarouge moyen 2-20 μm

New supercontinuum sources with tapered multimode optical fibers based on chalcogenideglasses for the mid-infrared spectral range 2-20 μm

• Auteur / Autrice : Esteban Serrano
• Direction : Bertrand Kibler, Frédéric Smektala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : John Michael Dudley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucile Rutkowski, Anne Hildenbrand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Mussot, Xiang Hua Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verres de chalcogénures

Imagerie infrarouge

Fibres optiques

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non-Linéaire

Fibres optiques

Génération de supercontinuum

Optique infrarouge moyen

Verres de chalcogénures

Spectroscopie d'absorption

Nonlinear optics

Optical fibers

Supercontinuum generation

Mid-Infrared optics

Chalcogenide glasses

Absorption spectroscopy

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude et au développement d’une source supercontinuum (SC) à fibre optique recouvrant la gamme spectrale de l’infrarouge moyen 2-20 μm, pour des applications de spectroscopie. La génération de SC est basée sur la propagation non-linéaire d’impulsions ultracourtes en régime femtoseconde dans des fibres optiques en verres de chalcogénures. Afin de générer un spectre recouvrant toute la gamme spectrale visée avec une densité spectrale de puissance significative, le principe de fibres multimodes effilées est proposé. Ainsi, diverses chaines lasers dans l’infrarouge moyen à longueur d’onde et cadence variables et plusieurs compositions de verres de chalcogénures sont testées, avec notamment des compositions de verre Ge-Se-Te, Te-As-Se ou encore Ge-Te-AgI, pour leurs propriétés remarquables de transmission infrarouge et de non-linéarité optique. Notons que la simple utilisation d’une fibre Ge-Se-Te effilée de très coutre longueur permet de démontrer la génération d’un spectre SC de 2 à 15 μm (2-14 μm), avec une puissance moyenne en sortie de fibre de 93 mW (170 mW), représentant une avancée significative de l’état de l’art. Les différents résultats expérimentaux confirmés par des simulations numériques mettent en évidence une optimisation de ces dispositifs non-linéaire par un contrôle du couplage d’entrée dans le mode fondamental guidé de la fibre. Par le biais de cette technique, la bande 2-20 μm est envisageable à court terme. Enfin des tests préliminaires de spectroscopie d’absorption par ondes évanescentes (FEWS) sont présentés avec différents liquides. Une fibre optique spéciale avec une double fonction optique a pu être développée par le biais de deux sections effilées : la première pour la génération de SC, et la deuxième pour la fonction FEWS.

This thesis work is devoted to the study and development of a fiber-based supercontinuum (SC) source covering the midinfrared spectral range 2-20 μm, for spectroscopy applications. SC generation is based on the nonlinear propagation of ultrashort femtosecond pulses in chalcogenide-glass optical fibers. In order to generate a SC spectrum covering the entire target spectral range with a significant power spectral density, the principle of tapered multimode fibers is proposed. Various mid-infrared laser chains with variable wavelengths and repetition rates, and several chalcogenide glass compositions are tested, including Ge-Se-Te, Te-As-Se and Ge- Te-AgI glass compositions, for their remarkable infrared transmission and optical nonlinearity properties. Note that the simple use of a tapered Ge-Se-Te fiber enables SC generation from 2 to 15 μm (2-14 μm), with an average fiber output power of 93 mW (170 mW), that significantly advances the state-of-the-art. The various experimental results, confirmed by numerical simulations, show that these nonlinear devices can be optimized by controlling the input coupling in the guided fundamental mode of the fiber. Using this technique, the 2-20 μm spectral band can be fully covered in the short term. Finally, preliminary tests of evanescent waveabsorption spectroscopy (FEWS) with different liquids are presented. A special optical fiberwith a dual optical function has been developed by means of two tapered sections: the first for SC generation, and the second for FEWS.