Développement de fibres optiques à dispersion contrôlée pour l'élaboration de lasers ultrarapides à 2 µm

The goal of this PhD thesis is to pave the way towards the demonstration of parabolic amplification at 2 μm in an all-fiber format. The physical theory on self-similar pulse amplification is first presented. The best all-fiber amplifier at 2 μm would need a special Tm-doped fiber with both high normal dispersion and large effective area. Parabolic amplification is however prohibited in silica based singlemode fiber working at 2 μm due to the large anomalous dispersion of silica. To overcome this limitation, a four-mode fiber in which the LP02 mode exhibits high normal dispersion combined with large effective area at 2 μm was designed and manufactured. A dedicated mode converter has also been designed and manufactured. Using the spatially- and spectrally-resolved imaging technique the purity of excitation of the LP02 mode in the passive fiber was evaluated to 99.9%. An ultrashort pulse (100 fs) source tunable from 1.6 μm to 2 μm was implemented to seed the amplifier. This source allowed to measure the LP02 mode dispersion of the passive fiber at the wavelength of 1.95 μm: D = -106 ps/(nm.km) in excellent quantitative agreement with the simulations. Numerical modeling of a nonlinear amplifier based on the realized active fiber shows that MW peak power class pulses centered at 1.9 μm can be obtained at the output of the parabolic amplifier.L’objectif de cette thèse est d’ouvrir la voie à la démonstration de l’amplification parabolique à 2 μm en format tout fibré. La théorie sur l’amplification d’impulsions auto-similaires est d’abord présentée. Il en découle que le meilleur amplificateur tout fibré à 2 μm devra s’appuyer sur une fibre dopée aux ions Tm3+ présentant à la fois une forte dispersion normale et une grand aire effective. L’amplification parabolique ne peut pas être réalisée dans des fibres monomodes à base de silice à 2 μm du fait de la forte dispersion anormale présentée par le matériau. Afin de surmonter cette limitation, une fibre dont le mode LP02 présente à la fois une forte dispersion normale et une grande aire effective à 2 μm a été conçue et réalisée. Un convertisseur spatial de lumière dédié à la génération du mode LP02 a également été conçu et réalisé. La pureté d’excitation par ce convertisseur du mode LP02 de la fibre passive a été évaluée à 99,9% par la technique interférométrique d’imagerie spatialement et spectralement résolue. Une source d’impulsions ultrabrèves (100 fs) et accordable en longueur d’onde de 1,6 μm à 2 μm a été créée pour générer le signal de l’amplificateur. Cette source a en outre permis de mesurer la dispersion du mode LP02 de la fibre passive à la longueur d’onde de 1,95 μm, celle-ci vaut -106 ps/(nm.km) en excellent accord quantitatif avec les résultats numériques. Des modélisations numériques de l’amplificateur nonlinéaire basé sur la version active de cette fibre indiquent que des impulsions présentant une puissance crête de l’ordre du MW à 1,9 μm sont envisageables en sortie de l’amplificateur parabolique

Development of dispersion tailored optical fibers for ultrafast 2 µm lasers

L’objectif de cette thèse est d’ouvrir la voie à la démonstration de l’amplification parabolique à 2 μm en format tout fibré. La théorie sur l’amplification d’impulsions auto-similaires est d’abord présentée. Il en découle que le meilleur amplificateur tout fibré à 2 μm devra s’appuyer sur une fibre dopée aux ions Tm3+ présentant à la fois une forte dispersion normale et une grand aire effective. L’amplification parabolique ne peut pas être réalisée dans des fibres monomodes à base de silice à 2 μm du fait de la forte dispersion anormale présentée par le matériau. Afin de surmonter cette limitation, une fibre dont le mode LP02 présente à la fois une forte dispersion normale et une grande aire effective à 2 μm a été conçue et réalisée. Un convertisseur spatial de lumière dédié à la génération du mode LP02 a également été conçu et réalisé. La pureté d’excitation par ce convertisseur du mode LP02 de la fibre passive a été évaluée à 99,9% par la technique interférométrique d’imagerie spatialement et spectralement résolue. Une source d’impulsions ultrabrèves (100 fs) et accordable en longueur d’onde de 1,6 μm à 2 μm a été créée pour générer le signal de l’amplificateur. Cette source a en outre permis de mesurer la dispersion du mode LP02 de la fibre passive à la longueur d’onde de 1,95 μm, celle-ci vaut -106 ps/(nm.km) en excellent accord quantitatif avec les résultats numériques. Des modélisations numériques de l’amplificateur nonlinéaire basé sur la version active de cette fibre indiquent que des impulsions présentant une puissance crête de l’ordre du MW à 1,9 μm sont envisageables en sortie de l’amplificateur parabolique.The goal of this PhD thesis is to pave the way towards the demonstration of parabolic amplification at 2 μm in an all-fiber format. The physical theory on self-similar pulse amplification is first presented. The best all-fiber amplifier at 2 μm would need a special Tm-doped fiber with both high normal dispersion and large effective area. Parabolic amplification is however prohibited in silica based singlemode fiber working at 2 μm due to the large anomalous dispersion of silica. To overcome this limitation, a four-mode fiber in which the LP02 mode exhibits high normal dispersion combined with large effective area at 2 μm was designed and manufactured. A dedicated mode converter has also been designed and manufactured. Using the spatially- and spectrally-resolved imaging technique the purity of excitation of the LP02 mode in the passive fiber was evaluated to 99.9%. An ultrashort pulse (100 fs) source tunable from 1.6 μm to 2 μm was implemented to seed the amplifier. This source allowed to measure the LP02 mode dispersion of the passive fiber at the wavelength of 1.95 μm: D = -106 ps/(nm.km) in excellent quantitative agreement with the simulations. Numerical modeling of a nonlinear amplifier based on the realized active fiber shows that MW peak power class pulses centered at 1.9 μm can be obtained at the output of the parabolic amplifier

invited paper n°10512-26

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Nanojoule 100 fs Pulse at 3 µm Generated From a Fully Fusion-Spliced Fiber Laser

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Singlemode soliton in few-mode fiber

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Modal analysis of a 50 μm core diameter photonic bandgap Bragg fiber operated at 1860 nm

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Supercontinuum-based Fourier transform infrared spectromicroscopy

International audienceFourier-transform infrared (FTIR) spectromicroscopy combines the spatial resolution of optical microscopy with the spectral selectivity of vibrational spectroscopy. Synchrotron sources can provide diffraction-limited beams in the infrared, and therefore synchrotron-based FTIR spectromicroscopy is nowadays an indispensable tool for biology and materials science studies where high spatial resolution is required. However, the increasing need for accurate and highly spatially resolved characterization is calling for alternative laboratory-based sources to complement synchrotron radiation. To date, the low brightness of thermal emitters or high temporal coherence and narrow bandwidth or tunability of laser sources have hindered the progress of bench-top FTIR spectromicroscopy. Here, we demonstrate that fiber-based supercontinuum sources in the mid-infrared enable fast spectral mapping of localized material properties with close to diffraction-limited resolution (3  μm×3  μm) and pave the way to table-top, on-demand, fast, and highly spatially resolved studies. We illustrate these capabilities by imaging thin sections of human liver samples and compare the results and performance with those obtained using a synchrotron source

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Pure and achromatic excitation of the LP02 mode in a dispersion-tailored optical fiber

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