Longueur d`onde (nm)

23èmes JNOG
Paris, octobre 2004
Génération de supercontinuums
par pompage multi-longueur d'onde
dans les fibres optiques microstructurées
Vincent Tombelaine, Philippe Leproux, Sébastien Février, Philippe Roy,
Pierre-Alain Champert, Ludovic Grossard, Vincent Couderc
1
Plan de l’exposé
Introduction
Historique et état de l’art
Applications potentielles
Les effets non linéaires à l’origine des supercontinuums
Génération de supercontinuums par pompage à deux
longueurs d’onde
Conclusions et perspectives
2
Introduction
Un continuum peut être défini comme une émission laser
couvrant une largeur spectrale importante.
Exemple de continuum dans le visible
3
Introduction
Comment générer un continuum ?
Il n’existe aucune émission laser couvrant plus de quelques dizaines de
nanomètres.
Focalisation de la puissance d’un laser dans un milieu fortement non linéaire
Spectre étroit
Spectre large
Laser
Types de laser :
Milieu non linéaire
 continu
 impulsionnel
(nanoseconde, picoseconde, femtoseconde)
Milieux non linéaires : gaz, liquides, solides
4
Quelques applications potentielles
• Spectroscopie
 Caractérisation et cartographie 3D des polluants atmosphériques
• Caractérisation d’éléments optiques
 Transparence, dispersion, longueur d’onde de coupure (fibres optiques)
• Imagerie haute résolution (2D, 3D)
(tomographie optique cohérente, microscopie confocale)
 Analyse de tissus biologiques
• Diagnostic hématologique
 Caractérisation de cellules, dépistage précoce de maladies infectieuses
• …
5
Historique et état de l’art
Dans les solides :
•
R.R Alfano and S.L Shapiro, "Emission in the region 4000 to 7000 A via four-photon coupling in glass ", Phys. Rev. Lett.
24, 584-587, 1970.
•
W. Yu, R. R. Alfano, C. L. Sam, and R. J. Seymour, "Spectral broadening of picosecond 1.06 m pulse in KBr", Opt.
Commun., 14, 344-347, 1975.
•
…
Dans les liquides :
•
W. Werncke, A. Lau, M. Pfeiffer, K. Lenz, H.-J. Weigmann, and C. D. Thuy, "An anomalous frequency broadening in water",
Opt. Commun., 4, 413-415, 1972.
•
W. Lee Smith, P. Liu, and N. Bloembergen, "Superbroadening in H 2 O and D 2 O by self-focused picosecond pulses from a
YAlG:Nd laser", Phys. Rev. A, 15, 2396-2403, 1977.
•
…
Dans les gaz :
•
P. B. Corkum, C. Rolland, and T. Srinivasan-Rao, "Supercontinuum generation in gases", Phys. Rev. Lett., 57, 2268-2271,
1986.
•
V. Francois, F. A. Ilkov, and S. L. Chin, "Experimental study of the supercontinuum spectral width evolution in CO2 gas",
Opt. Commun., 99, 241-246, 1993.
•
J. Kasparian, R. Sauerbrey, D. Mondelain, S. Niedermeier, J. Yu, J.-P. Wolf, Y.-B. Andre, M. Franco, B. Prade, S. Tzortzakis,
A. Mysyrowicz, M. Rodriguez, H. Wille, and L. Woste, "Infrared extension of the supercontinuum generated by femtosecond
terawatt laser pulses propagating in the atmosphere", Opt. Lett., 25, 1397-1399, 2000.
•
…
Dans les fibres optiques :
•
C. Lin and R. H. Stolen, "New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy", Appl. Phys. Lett., 28, 216-218, 1976.
•
P. L. Baldeck, "Intensity effects on the stimulated four photon spectra generated by picosecond pulses in optical fibers", J.
Lightwave Technol., 5, 1712-1715, 1987.
•
J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air silica microstructure optical fibers with
anomalous dispersion at 800 nm", Opt. Lett., 25, 25-27, 2000.
•
…
6
Historique et état de l’art
En régime femtoseconde :
•
R. L. Fork, C. V. Shank, C. Hirlimann, R. Yen, and W. J. Tomlinson, "Femtosecond white-light continuum pulses", Opt. Lett.,
8, 13, 1983.
•
J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, "Visible continuum generation in air silica microstructure optical fibers with
anomalous dispersion at 800 nm", Opt. Lett., 25, 25-27, 2000.
En régime picoseconde :
•
W. Lee Smith, P. Liu, and N. Bloembergen, "Superbroadening in H 2 O and D 2 O by self-focused picosecond pulses from a
YAlG:Nd laser", Phys. Rev. A, 15, 2396-2403, 1977.
•
Stephane Coen, Alvin Hing Lun Chau, Rainer Leonhardt, John d. Harvey, Jonathan C. Knight, William J. Wadsworth, and
Philip st J. Russell, " Supercontinuum generation by stimulated Raman scatering and parametric four-wave mixing in
photonic crystal fiber ", J. Opt. Soc. Am. B, 19, 753-764, 2002.
En régime nanoseconde :
•
C. Lin, "New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy", Appl. Phys. Lett., 28, 216-218, 1976.
•
A. Mussot, T. Sylvestre, L. Provino and H. Maillotte, "Generation of a broadband singlemode supercontinuum in a
conventional dispersion shifted fiber by use of a subnanosecond microchip laser ", Optics Letters, 28, 18-20, 2003.
En régime continu :
•
A. V. Avdokhin, S. V. Popov, J. R. taylor, "Continuous wave, high power, Raman continuum generation in holey fibers", Opt.
Lett., 28, 1353-1355, 2003.
•
A. Mussot, E. Lantz, H. Maillotte, T. Sylvestre, C. Finot and S. Pitois", Spectral broadening of a partially coherent CW laser
beam in single-mode optical fibers" , Optics Express, 12, 28-38, 2004.
•
P. A. Champert, V. Couderc, A. Barthélémy, "1.5-2.0 µm, multi-watt, continuum generation in dispersion shifted fiber by use
of high power continuous-wave fiber source", PTL, IEEE, 16, 2445-2447, 2004.
Des spectres de plus de 800 à 1000 nm de large ont été obtenus dans les
différents régimes d’excitation (fs, ps, ns, CW).
7
Supercontinuum dans les fibres optiques
Confinement important du champ électromagnétique sur des
longueurs de propagation importantes
Possibilité de modification des conditions de propagation
(dispersion, distribution transverse du champ modal,
biréfringence, confinement)
Seuil de destruction de la silice bas
8
Effets non linéaires dans les fibres
• Automodulation de phase (SPM)
• Modulation de phase croisée (XPM)
• Effets solitons multiples
l
• Effet Raman stimulé (SRS)
• Mélange à quatre ondes (FWM)
Instabilités de modulation (MI)
(cohérente et incohérente : G. Millot et al., Phys. Rev. E, 61, 2000
Pitois et al., Opt. Comm., 226, 2003)
Le cumul de l’ensemble de ces effets avec une importance plus ou moins grande
suivant les conditions de propagation dans la fibre (dispersion, biréfringence) et de
l’excitation utilisée (femto, pico, nano, continue) permet la génération d’un
supercontinuum.
9
Génération de supercontinuums dans les fibres unimodales transverses
Méthode communément utilisée :
Excitation unique d’une fibre optique près du zéro de dispersion
en régime de dispersion normale ou anormale
100
dispersion ps/(km.nm)
0
4.E-07
normale
6.E-07
anormale
8.E-07
1.E-06
-100
-200
Pompe
-300
-400
1.E-06
1.E-06
2.E-06
Exemple de courbe
de dispersion chromatique
dans une fibre
visible
-500
-600
longueur d'onde
But :
Associer l’ensemble des effets non linéaires pour obtenir
le maximum d’élargissement spectral
10
Génération de supercontinuums dans les fibres unimodales transverses
(fibre silice)
Exemple : Champert et al., PTL, 2004
Zéro de dispersion
Dispersion
normale
Dispersion
anormale
(3nm)
Pompe
Développement
du continuum
Le signe de la dispersion joue un rôle prépondérant
dans la génération du continuum.
11
Génération de
supercontinuums
par pompage à deux longueurs
d’onde
12
Génération de supercontinuums par pompage multi-longueur d’onde
Montage expérimental :
Fibre microstructurée
L~4m
KTP type II
Nd:YAG
lp = 1064 nm
t = 600 ps, F = 5,4 kHz
Pcrête ~ 20 kW
Continuum
Fibre optique
Guidage unimodal dans le visible et l’IR
13
Caractéristiques de la fibre microstructurée
Dispersion
normale
(ps/nm/km)
Dispersion chromatique
Réalisation IRCOM :
Dispersion
anormale
1064 nm
532 nm
d ~ 1.5 µm
 ~ 2.2 µm
Aire effective (µm²)
Longueur d’onde (µm)
Longueur d’onde (µm)
14
Elargissement dans le visible
lp=532 nm
Continuum
level,
(dB) dB
Puissance
Niveau (dB)
532 nm
+ 1064 nm
400 nm
0
15 dB
-10
Psortie = 6 mW
-20
-30
400
500
600
Wavelength,
Longueur
d’ondenm
(nm)
700
15
Elargissement dans l’infrarouge
Puissance
(dB)
Niveau (dB)
0
5 dB
Continuum, dB
-20
-30
-40
-50
-60
1000
1250
1500
1750
Longueur d'onde, nm
-10
-20
OH-
-30
1064 nm
1000 1200 1400 1600
Longueur
(nm)
Longueurd'onde
d’onde (nm)
16
Profil spatial du faisceau de sortie
Filtrage spectral
Passe bande
Faisceau incident
Champ lointain
17
Influence des puissances de pompe sur le profil du spectre de sortie
Excitation unique
532 nm
(dispersion anormale)
(dispersion normale)
Niveau (dB)
Puissance
(dB)
-20
Augmentation de la
puissance à 532 nm
-40
1064 nm
1000W
770W
625W
500W
380W
290W
-60
-80
1064nm
1000
1200
1400
1600
Longueur d'onde (nm)
(SRS)
(SRS+SPM+XPM+FWM)
18
Influence des puissances de pompe sur le profil du spectre de sortie
Excitation simultanée à 532 nm (300 W) et à 1064 nm
P532 = cste
Niveau (dB)
(dB)
Puissance
Puissance
(dB)
Amplitude
(dB)
-20
-30
Disparition progressive
des raies Raman
avec augmentation de la
puissance à 1064 nm
-40
-50
400
400
500
500
600
600
Longueur d'onde (nm)
700700
P1064
(variable)
19
Influence de la cascade Raman sur la génération du spectre dans le visible
Excitation simultanée à 532 nm (20 W) et à 1064 nm
Augmentation de la puissance IR à 1064 nm avec P532 = cste
Spectre IR
1000W
770W
625W
500W
290W
Amplitude
(dB)
Niveau (dB)
(dB)
Puissance
Amplitude
(dB)
Puissance
Niveau (dB)
Spectre visible
-40
-60
400
500
600
Longueur d'onde (nm)
700
-40
1000W
770W
625W
500W
290W
-60
1000
1200
1400
1600
Longueur d'onde (nm)
La cascade Raman ne participe pas à l’établissement du spectre visible.
20
Premières constatations (double pompage) :
• Génération d’un spectre « lisse » dans l’IR entre 1000 et 1800 nm
Continuum level, dB
Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
0
-10
-20
-30
1000 1200 1400 1600
Wavelength, nm
• Disparition de la cascade Raman (visible) pour un pompage à 1064 nm suffisamment
important (P1064/P532 ~ 2,5)
• L’élargissement spectral dans le visible (400-700 nm) est lié au pompage à 1064 nm.
• La cascade Raman n’est pas à l’origine de l’élargissement du spectre dans le visible.
• Le transfert de l’énergie de l’IR vers le visible est réalisé par un double effet de mélange à
quatre ondes.
Explications
21
Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
Etape 1 :
Continuum level, dB
Création d’un supercontinuum dans l’IR : pompage à 1064 nm (régime de dispersion anormale)
Effets non linéaires : Raman
Mélange à quatre ondes
Automodulation de phase
l3
Etape 2 :
435 nm
Création d’un continuum dans la région 400-532 nm
Effets non linéaires : Mélange à quatre ondes
Conservation de l’énergie :
1/l1+1/l2=1/l3+1/l4
0
-10
-20
-30
1000 1200 1400 1600
Wavelength, nm
l2
1064 nm
l4
1900 nm
l1
532 nm
DfNL
Accord de phase :
b1+b2-b3-b4+DfNL=0
(1,1 µm - 1,9 µm)
(0,42 µm - 0,532 µm)
Construction progressive du supercontinuum tout au
long de la propagation dans la fibre
22
Mécanismes non linéaires à l’origine du supercontinuum
l3
Etape 3 :
Création d’un continuum dans la région 532-750 nm
Effets non linéaires : Mélange à quatre ondes dégénéré
435 nm
l1
l4
532 nm
684 nm
(dB)
Niveau(dB)
Puissance
-20
Conservation de l’énergie :
-30
2/l1=1/l3+1/l4
DfNL
Accord de phase :
2b1-b3-b4+DfNL=0
-40
(0,4 µm - 0,532 µm)
-50
(0,532
- 0,75700µm)
500 µm 600
400
Longueur d'onde (nm)
La compétition entre le gain paramétrique et le gain Raman est à l’origine
de la disparition plus ou moins prononcée de la cascade Raman.
(S. Trillo et al., JOSA B, 9, 1061, 1992 ; S. Pitois et al., Opt. Lett., 23, 1456, 1998)
23
Amélioration des performances
• Nouvelle fibre (1) en silice spéciale UV
Niveau (dB)
(dB)
Puissance
Fibre 1
Fibre 2
Fibre 3
Longueur d’onde (nm)
24
Amélioration des performances
• Nouvelle fibre (2) :
 décalage de la courbe de dispersion vers les basses longueurs d’onde
 apparition d’un second zéro de dispersion (1100 nm) ?
dispersion chromatique
ps/(nm.km)
100
710 nm
0
4.00E-07 6.00E-07
-100
-200
8.00E-07 1.00E-06 1.20E-06
1.40E-06 1.60E-06
860 nm
-300
-400
-500
-600
longueur d'onde
25
Amélioration des performances
• Elargissement obtenu avec la nouvelle fibre (2) :
Puissance
(dB)
Niveau (dB)
-20
5 dB
10 dB
-40
5 dB
-60
Psortie = 5 mW
-80
-100
400
800
1200
1600
Longueur d’onde (nm)
26
Conclusions et perspectives

Les supercontinuums ont été largement étudiés depuis plus de 30 ans.

Génération d’un continuum avec double pompage (532 nm + 1064 nm)
dans une fibre optique unimodale microstructurée en régime nanoseconde

Obtention d’un continuum dans l’IR (1000 -1800 nm) et dans le visible (350-750 nm)

Le spectre visible est engendré par un double effet de mélange à quatre ondes à partir du spectre IR.

Le gain paramétrique est à la base de la disparition de la cascade Raman (dispersion normale).

Possibilité d’engendrer un spectre large couvrant l’ensemble du domaine de transparence de la silice
Perspectives :

Etude du multi-pompage en régime picoseconde (10 MHz) et en régime continu

Développement de fibres à double zéro de dispersion ou à dispersion chromatique «évolutive »

Etude plus approfondie de la compétition entre les effets stimulés et les instabilités de modulation en
régime de dispersion normale
27
Remerciements
Support financier
www.abx.fr
Explore the future
Dépôt de brevet en cours
HORIBA GROUP
 A. Barthélémy, C. Froehly, T. Sylvestre, J. Dudley, S. Coen (discussions)
 J. L. Auguste, J. M. Blondy (fabrication des fibres)
28
Questions ?
29
• Annexes
30
SHG dans les fibres microstructurées
-10
532nm
Puissance (dB)
-20
25dB
-30
Pompage unique
à 1064nm
-40
-50
-60
-70
-80
1064nm
355nm
-90
-100
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Longueur d'onde (nm)
Sans effet de « poling » optique
(GSH dans les Fibres: U. ôsterberg, W; Margulis, Opt. lett. 11, 1986)
31