Développement d'une source laser à salve impulsionnelle GHz basée sur un peigne de fréquence électro-optique: applications à l'acoustique ultrasonique.

Development of a GHz burst mode pulsed laser based on an electro-optical frequency comb: applications to ultrasonics.

• Auteur / Autrice : Paolo Paris
• Direction : Giorgio Santarelli, Eric Cormier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/06/2026
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique & Nanosciences
• Jury : Président / Présidente : Stefan Dilhaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgio Santarelli, Eric Cormier, Christ Glorieux, Hugues Guillet de chatellus, Thomas Pezeril
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christ Glorieux, Hugues Guillet de chatellus

Mots clés

Mots clés libres

Laser à fibre

GHz

Acoustique

Multi-impulsionnel

Brillouin

Spintronique

Fiber laser

GHz

Acoustics

Multi-pulse

Brillouin

Spintronics

Résumé

En se basant sur un peigne de fréquence électro-optique fabriqué dans notre laboratoire, nous avons développé une source laser impulsionnelle qui fournit des salves d’impulsions dont la cadence est continuellement réglable entre 11 GHz et 18 GHz. Le nombre d’impulsions par salve est d’au moins cinq. Cette source est utilisée pour générer des impulsions acoustiques et mesurer leur propagation par diffusion Brillouin temporelle (dite TDBS). La nouveauté est de remplacer l’excitation et la détection mono-impulsionnelles, communément utilisées dans les expériences de TDBS, par des salves d’impulsions optiques pour générer une onde acoustique à bande spectrale étroite et rendre la détection sensible à la fréquence. Pour mener cette étude, un montage pompe-sonde de TDBS a été construit au laboratoire avec la particularité de pouvoir basculer entre une source mono-impulsionnelle ou multi-impulsionnelle. Les mesures Brillouin mono-impulsionnelles réalisées sur divers matériaux ont permis de valider le montage expérimental. Les expériences multi-impulsionnelles montrent qu’un signal Brillouin peut être mesuré avec une excitation et une détection multi-impulsionnelles. Des mesures dans du verre de silice et un cristal de MgO (111) ont révélé qu’en variant la cadence des impulsions, l’amplitude des oscillations Brillouin change et atteint un maximum quand la cadence est égale à la fréquence Brillouin ou à l’une de ses sous-harmoniques. Augmenter le nombre d’impulsions par salve affine la sensibilité à la cadence. Ces résultats sont corroborés par une étude théorique de l’excitation et la détection multi-impulsionnelles. Les expériences et le modèle théorique montrent que remplacer une impulsion pompe unique par une salve d’impulsions moins intenses résulte en une amplitude Brillouin similaire. Un tel résultat pourrait avoir des applications intéressantes sur des échantillons sensibles, comme en biologie. L’ensemble de ces expériences valident le fonctionnement de l’expérience pompe-sonde multi-impulsionnelle en TDBS. Ils ouvrent la voie à des mesures acoustiques dans le domaine fréquentiel. Une application alternative du montage expérimental est la mesure de la précession magnétique par effet Kerr Magnéto-Optique (dite MOKE). Les premières expériences MOKE montrent que des mesures de précessions peuvent être réalisées dans le cas multi-impulsionnel.

Using an electro-optical frequency comb fabricated in our laboratory, we have developed a pulsed laser source that delivers bursts of pulses with a repetition rate continuously adjustable between 11 GHz and 18 GHz. Each burst contains at least five pulses. This source is used to generate acoustic pulses and measure their propagation via time-domain Brillouin scattering (TDBS). The novelty lies in replacing the single-pulse excitation and detection commonly used in TDBS experiments with bursts of optical pulses to generate a narrow-band acoustic wave and make the detection frequency-sensitive. To conduct this study, a TDBS pump-probe setup was constructed in the laboratory with the feature of being able to switch between a single-pulse and multi-pulse source. Single-pulse Brillouin measurements performed on various materials validated the experimental setup. Multi-pulse experiments demonstrate that a Brillouin signal can be measured using multi-pulse excitation and detection. Measurements in silica glass and MgO (111) crystal revealed that varying the pulse rate changes the amplitude of the Brillouin oscillations, which reaches a maximum when the pulse rate equals the Brillouin frequency or one of its subharmonics. Increasing the number of pulses per burst enhances the sensitivity to the pulse rate. These results are corroborated by a theoretical study of multi-pulse excitation and detection. The experiments and the theoretical model show that replacing a single pump pulse with a burst of less intense pulses results in a similar Brillouin amplitude. Such a result could have interesting applications on sensitive samples, such as in biology. This work validates the operation of the multi-pulse pump-probe experiment in TDBS. It paves the way for acoustic measurements in the frequency domain. An alternative application of the experimental setup is the measurement of magnetic precession via the Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE). Initial MOKE experiments show that precession measurements can be performed in the multi-pulse case.