Génération de supercontinuum dans l'infrarouge moyen à partir de fibres optiques à saut d'indice

Génération de supercontinuum dans l'infrarouge moyen

à partir de fibres optiques à saut d'indice

Mémoire

Louis-Rafaël Robichaud

Maîtrise en physique - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Génération de supercontinuum

dans l’infrarouge moyen

à partir de fibres optiques à saut d’indice

Mémoire

Louis-Rafaël Robichaud

Sous la direction de :

Martin Bernier, directeur de recherche

Réal Vallée, codirecteur de recherche

R

ÉSUMÉ

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 µm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 µm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3.

A

BSTRACT

This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid-IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings.

T

ABLE DES MATIÈRES

RESUME ... II ABSTRACT ... III TABLE DES MATIERES ... IV LISTE DES TABLEAUX... VI LISTE DES FIGURES ... VII LISTE DES ABBREVIATIONS ET DES ACRONYMES ... XI REMERCIEMENTS ... XIV AVANT-PROPOS ...XV

0. INTRODUCTION ... 1

0.1 Les motivations ... 1

0.2 Pourquoi le supercontinuum (en bref…) ? ... 1

0.3 Pourquoi l’infrarouge moyen? ... 2

0.4 Pourquoi la fibre optique? ... 4

1. CHAPITRE 1 : BASES THEORIQUES ET APPLICATIONS SUR LA GENERATION DE SUPERCONTINUUM ... 6

1.1 Applications des sources de supercontinuum ... 7

1.1.1 La télédétection ... 8

1.1.2 La microspectroscopie ... 14

1.2 Revue de littérature ... 19

1.2.1 Les lasers de pompage disponibles émettant dans le mid-IR ... 19

1.2.2 Les SC pompés par des lasers à l’état solide ... 28

1.2.3 Les SC pompés par des lasers à fibre optique ... 33

1.2.4 Conclusion de la revue de littérature ... 38

1.3 La fibre optique, sa conception et l’optique linéaire ... 39

1.3.1 La fibre optique à saut d’indice ... 39

1.3.2 Le choix des verres ... 40

1.3.3 La constante de propagation et la dispersion de guidage ... 44

1.4 Propagation d’impulsions dans une fibre optique ... 52

1.4.1 Équation non-linéaire de Schrödinger ... 52

1.4.2 Propagation d’impulsions en régime dispersif ... 54

1.4.3 Propagation d’impulsions en régime non-linéaire ... 59

1.4.4 Propagation d’impulsions en régime dispersif, non-linéaire et d’ordres supérieurs ... 66

2. CHAPITRE 2 : GENERATION DE SUPERCONTINUUM EN POMPAGE PICOSECONDE ... 76

2.1 Compact 3-8 µm supercontinuum generation in a low-loss As2Se3 step-index fiber ... 77

2.1.1 Résumé... 77

2.1.2 Abstract... 77

2.1.3 Introduction... 78

2.1.4 Experiment... 79

2.1.5 Results and discussion ... 82

2.1.6 Conclusion ... 86

2.1.7 Funding ... 86

2.1.8 References ... 86

3. CHAPITRE 3 : GENERATION DE SUPERCONTINUUM EN POMPAGE FEMTOSECONDE ... 88

3.1 High-power supercontinuum generation in the mid-infrared pumped by a soliton self-frequency shifted source ... 89

3.1.1 Résumé... 89

3.1.2 Abstract... 89

3.1.3 Introduction... 90

3.1.4 Experiment... 91

3.1.5 Results and discussion ... 92

3.1.6 Conclusion ... 98 3.1.7 Funding ... 98 3.1.8 Acknowledgment ... 98 3.1.9 References ... 98 4. CONCLUSION ... 101 RÉFÉRENCES ... 103

L

ISTE DES

T

ABLEAUX

TABLEAU 1.1PRINCIPAUX AGENTS CHIMIQUES EXPLOSIFS. ... 13

TABLEAU 1.2REVUE DE LITTÉRATURE DES LASERS À L’ÉTAT SOLIDE ÉMETTANT DANS L'INFRAROUGE MOYEN. ... 21

TABLEAU 1.3REVUE DE LITTÉRATURE DES LASERS FIBRÉS PULSÉS MID-IR DE TYPE «Q-SWITCHED»(1 NS <T0<1 MS). ... 24

TABLEAU 1.4REVUE DE LITTÉRATURE DES LASERS FIBRÉS ULTRARAPIDES (T0 <1 NS) ÉMETTANT DANS L'INFRAROUGE MOYEN. ... 27

TABLEAU 1.5REVUE DE LITTÉRATURE DES SC GÉNÉRÉS DANS LES BULKS OU LES RIB WAVEGUIDES. 29

TABLEAU 1.6REVUE DE LITTÉRATURE DES SC EXPÉRIMENTAUX LES PLUS LARGES À CE JOUR DANS DES FIBRES DE FLUORURES ET DE CHALCOGÉNURES. ... 31

TABLEAU 1.7REVUE DE LITTÉRATURE DES SC POMPÉS PAR DES LASERS À L'ÉTAT SOLIDE VIA UNE FIBRE EFFILÉE ET/OU MICROSTRUCTURÉE. ... 32

TABLEAU 1.8REVUE DE LITTÉRATURE DES SC UTILISANT DES FIBRES À SAUT D’INDICE POMPÉES PAR DES MILIEUX DE GAIN FIBRÉS.*EN COURS DE PUBLICATION. ... 35

TABLEAU 1.9REVUE DE LITTÉRATURE DES PRINCIPAUX RÉSULTATS DE SC POMPÉS PAR DES LASERS À FIBRE VIA UNE FIBRE EFFILÉE ET/OU MICROSTRUCTURÉE. ... 38

TABLEAU 1.10COMPARAISON RELATIVE DES PERFORMANCES PRATIQUES ENTRE LES TECHNIQUES DE CONTRÔLE DE LA DISPERSION DANS L’INFRAROUGE MOYEN.ÉCHELLE DE MAGNITUDE DE 1 À 4 ;1

= FAIBLE,2= MOYENNEMENT FAIBLE,3= MOYENNEMENT ÉLEVÉE,4= ÉLEVÉE. ... 50

TABLEAU 1.11FORMES CLASSIQUES DE L’ÉQUATION NON-LINÉAIRE DE SCHRÖDINGER (NLS). ... 53

TABLEAU 1.12EFFETS NON-LINÉAIRES PRINCIPAUX SELON LE RÉGIME DISPERSIF AINSI QUE LA DURÉE DE L’IMPULSION. SPM, AUTOMODULATION DE PHASE; AR, AUTORAIDISSEMENT; XPM, MODULATION DE PHASE CROISÉE; IRS, INTRAPULSE RAMAN SCATTERING, SRS, STIMULATED RAMAN SCATTERING; SBS, STIMULATED BRILLOUIN SCATTERING; MI, MODULATION D’INSTABILITÉ;SSFS, SOLITON SELF FREQUENCY SHIFT;ED, EFFETS DISPERSIFS; OWB, OPTICAL WAVE BREAKING;OD, ONDES DISPERSIVES. ... 66

TABLEAU 1.13RÉSUMÉ CONCEPTUEL DES PRINCIPAUX PARAMÈTRES IMPLIQUÉS DANS LA GÉNÉRATION DE SC. ... 73 TABLEAU 2.1 FIBER PARAMETERS SUMMARY. EDFF, ERBIUM-DOPED FLUORIDE FIBER; UFF,

UNDOPED FLUORIDE FIBER;LVF,LE VERRE FLUORÉ. ... 80

TABLEAU 3.1 FIBER PARAMETERS SUMMARY. EDFF : ERBIUM-DOPED FLUORIDE FIBER; LVF, LE

L

ISTE DES

F

IGURES

FIGURE 0.1SPECTRE DU PREMIER SUPERCONTINUUM EMIS PAR UNE SOURCE COMPACTE ATTEIGNANT

8 µM. ... 2

FIGURE 0.2COEFFICIENT D'ABSORPTION DU METHANE SUR UNE PLAGE SPECTRALE ENTRE 1.5 ET 15 µM.LA RESONANCE FONDAMENTALE SE SITUE A 3.3 µM.LA FIGURE PROVIENT DE [5]. ... 3

FIGURE 0.3SIGNATURES SPECTRALES DES PRINCIPALES LIAISONS INTERATOMIQUES [6]. ... 4

FIGURE 0.4 TRANSMISSION SPECTRALE DE L'ATMOSPHÈRE SUR 4 KM AU NIVEAU DE LA MER. LA TRANSMISSION MAXIMALE SE SITUE AUTOUR DE 3.9 µM [7]. ... 4

FIGURE 1.1SCHÉMA CONCEPTUEL TYPIQUE POUR LA GÉNÉRATION DE SC. ... 6

FIGURE 1.2 EXEMPLE DE CONFIGURATION SUR LE TERRAIN D'UN SYSTÈME DE TÉLÉDÉTECTION SPECTROSCOPIQUE PAR ABSORPTION DE GES [18]. ... 8

FIGURE 1.3SPECTRES D'ABSORPTION DES PRINCIPAUX CONSTITUANTS ATMOSPHÉRIQUES [19]. ... 9

FIGURE 1.4 LUMINOSITE DES SOURCES SC A BASE DE FIBRES DE SILICE, DE FLUORURE ET DE CHALCOGENURE PAR RAPPORT A UN SYNCHROTRON ET UN GLOBAR (CORPS NOIR A 1 500

K) [26]. ... 9 FIGURE 1.5 SCHÉMA D'UN SYSTÈME DE SPECTROSCOPIE D'ABSORPTION PAR SUPERCONTINUUM

(SAS) [33]. ... 10 FIGURE 1.6 SOURCE SC MID-IR MINIATURE QUI SERVIRA AUX APPLICATIONS EN TELEDETECTION

SPECTROSCOPIQUE [34]. ... 11

FIGURE 1.7RAIES D'ABSORPTION DE PLUSIEURS MOLÉCULES PRÉSENTES EN CI COUVERTES PAR LE SPECTRE DU SUPERCONTINUUM [38].CES RAIES PEUVENT ÊTRE UTILISÉES POUR SURVEILLER LA PRÉSENCE DE DIVERS GAZ PENDANT LA CI.LA COURBE EN NOIR CORRESPOND AU SPECTRE DU SC MID-IR PRÉSENTÉ DANS L’ARTICLE EN QUESTION. ... 12

FIGURE 1.8 SCHÉMA EXPÉRIMENTAL D'UN SYSTÈME DE TÉLÉDÉTECTION PAR RÉTRODIFFUSION DIFFUSE ILLUMINÉE PAR UNE SOURCE SC MID-IR [40]. ... 13

FIGURE 1.9ABSORBANCE SPECTRALE DE QUATRE ÉCHANTILLONS (TNT,RDX,PETN ET NITRATE DE POTASSIUM) ILLUMINÉS PAR UNE SOURCE SC MID-IR TEL QUE MESURÉ PAR [40]. ... 14

FIGURE 1.10 COMPARAISON D'IMAGES TRADITIONNELLES ET HYPERSPECTRALES IR D’UN CÔLON CANCÉREUX [41].LA LIGNE DU HAUT PRÉSENTE UNE IMAGE À CHAMP DE VUE LARGE ALORS QUE LA LIGNE DU BAS PRÉSENTE UNE IMAGE MAGNIFIÉE DU MÊME CÔLON.L’HISTOGRAMME À LA DROITE ÉVALUE LE POURCENTAGE OÙ UNE COULEUR DE L’IMAGE HYPERSPECTRALE EST PIXÉLISÉE.

... 15 FIGURE 1.11(A)SCHÉMA EXPÉRIMENTAL D'UN SYSTÈME DE MICROSPECTROSCOPIE UTILISANT UNE

SOURCE SC MID-IR(B)SPECTRE DE LA SOURCE SC [42]. ... 16

FIGURE 1.12IMAGES SPECTRALES ACQUISES DU SYSTÈME DE MICROSPECTROSCOPIE [42].(A)IMAGE AU MICROSCOPE TRADITIONNEL ;(B) IMAGE À 3.005 µM ET (C) IMAGE À 3.44 µM. ... 16

FIGURE 1.13 (A) COMPARAISON DES IMAGES HYPERSPECTRALES D’UNE SECTION DE FOIE (B) OBTENUES A L'AIDE D'UNE SOURCE SUPERCONTINUUM ET (C) D'UN SYNCHROTRON [43].LES PIXELS ONT UNE DIMENSION DE 3µM PAR 3µM. ... 17

FIGURE 1.14EXEMPLES D'IMAGES SPECTRALES DE 300K PIXELS DE FILM DE POLYMERE PRISES AUX LONGUEURS D’ONDE 3650(A) ET 3970(B) NM ET (C) SPECTRE D'UN SEUL PIXEL [44]. ... 18

FIGURE 1.15QUATRE EXEMPLES D’APPLICATION DIFFERENTES PROPOSEES EN 2016 PAR RILGUS ET AL. [45].(EN HAUT)MESURES EN GEOMETRIE DE TRANSMISSION: FEUILLES DE POLYMERE ET SOLUTIONS AQUEUSES D'ACIDE ACETIQUE DANS UNE FLOW CELL DE 130 µM AVEC FENETRES

CAF2,(EN BAS) MESURES EN GEOMETRIE DE REFLEXION: CONTAMINATION PAR HUILE ET TROIS TYPES DE PEINTURES SUR UNE SURFACE EN ALUMINIUM, ANALYSEE PAR CARTOGRAPHIE CHIMIQUE... 18

FIGURE 1.16 PHOTO D'UN OPCPA DÉLIVRANT DES PUISSANCES CRÊTES DE L'ORDRE DU

TW [79]. ... 20 FIGURE 1.17 SCHÉMA D'UN LASER À FIBRE OPTIQUE TRADITIONNEL. LA FIGURE PROVIENT

DE [102]. ... 22

FIGURE 1.18SPECTRE DE FLUORESCENCE DES IONS TERRES RARES RETROUVÉS DANS LES LASERS À FIBRE OPTIQUE INFRAROUGE.LA FIGURE PROVIENT DE [103]. ... 22

FIGURE 1.19 SCHÉMA D'UN LASER Q-SWITCHED BASÉ SUR UN ABSORBANT SATURABLE DE TYPE

SESAM [110]. ... 23 FIGURE 1.20 SCHÉMA EXPÉRIMENTAL D'UN LASER ULTRARAPIDE BASÉ SUR UN ABSORBANT

SATURABLE ET SUR UN FBG [144]. ... 27

FIGURE 1.21SCHÉMA EXPÉRIMENTAL D'UN LASER ULTRARAPIDE BASÉ SUR LA NPR [149]. ... 28

FIGURE 1.22 SCHÉMA EXPÉRIMENTAL CLASSIQUE POUR LA GÉNÉRATION DE SC DANS UN MILIEU UNIFORME [165]. ... 29

FIGURE 1.23SCHÉMA EXPÉRIMENTAL D'UN SC MID-IR VIA DES FIBRES SIF OU HNASIF POMPÉES PAR UN LASER À L’ÉTAT SOLIDE [183]. ... 31

FIGURE 1.24 SCHÉMA EXPÉRIMENTAL DE GÉNÉRATION DE SC VIA UNE FIBRE MICROSTRUCTURÉE EFFILÉE [198]. ... 32

FIGURE 1.25 SCHÉMA EXPÉRIMENTALE D'UN SC CASCADE-MOPA POMPÉ PAR UN LASER À FIBRE [209]... 33

FIGURE 1.26SCHÉMA EXPÉRIMENTAL DE L'APPROCHE «IN-AMPLIFIER» POUR LA GÉNÉRATION DE SC MID-IR TELLE QUE CONÇUE PAR GAUTHIER ET AL. [210]. ... 34

FIGURE 1.27SCHEMA EXPERIMENTAL DU SCINF3 LE PLUS PUISSANT A CE JOUR [231]. ... 36

FIGURE 1.28SCHÉMA EXPÉRIMENTAL DE GÉNÉRATION DE SC VIA UNE FIBRE EFFILÉE POMPÉ PAR UN LASER À FIBRE MID-IR [243]. ... 37

FIGURE 1.29LA FIBRE OPTIQUE STANDARD EST UN GUIDE D'ONDE CYLINDRIQUE DIÉLECTRIQUE.LA FIGURE PROVIENT DE [258]. ... 39

FIGURE 1.30PROFIL D'INDICE DE RÉFRACTION AXIAL D'UNE FIBRE OPTIQUE À SAUT D'INDICE [256]. OÙ N EST L’INDICE DE RÉFRACTION ; X OU R EST LE RAYON, N1 EST L’INDICE DU CŒUR (NCŒUR), N2

EST L’INDICE DE LA GAINE (NGAINE), NEFF EST L’INDICE EFFECTIF DU MODE, A EST LE RAYON DU

CŒUR. ... 40

FIGURE 1.31COURBES DE VISCOSITÉ DE MATÉRIAUX SÉLECTIONNÉS.(A)VISCOSITÉ DE MATÉRIAUX IR VERSUS T EN °C.(B)VISCOSITÉ DE MATÉRIAUX IR VERSUS TG/T.SILICA (TG =1215°C),CHG, CHALCOGENIDE GLASS (TG =187°C),FG, FLUORIDE GLASS (TG =260°C),TEG, TELLURITE GLASS (TG =299°C) ET PEI(TG =216°C).LA RÉGION VISCOTHERMIQUE D'UN ÉTIREMENT EST SURLIGNÉE EN ROUGE DANS LES FIGURES. LES LIGNES PLEINES CORRESPONDENT À DES MATÉRIAUX VITREUX TANDIS QUE LES LIGNES POINTILLÉES CORRESPONDENT À DES MATÉRIAUX CRISTALLINS [260]... 41

FIGURE 1.32(A)PROFIL D’INDICE DE RÉFRACTION ET (B) DISPERSION MATÉRIELLE DE DIFFÉRENTS VERRES QUI COMPOSENT LES FIBRES OPTIQUES COMMERCIALES. ... 42

FIGURE 1.33PERTES DE FONDS DES FIBRES OPTIQUES INFRAROUGES COMMERCIALES [54]. ... 43

FIGURE 1.34ÉVOLUTION DE LA DISPERSION DE GUIDAGE POUR LE MODE FONDAMENTAL D’UNE FIBRE OPTIQUE D’AS2S3 POUR DIFFÉRENTES VALEURS DE NA ET DIAMÈTRES DE CŒUR EN FIXANT LE LA

LONGUEUR DE COUPURE À 2.7 µM, SOIT V CONSTANT.LA COURBE EN NOIR CORRESPOND À LA DISPERSION MATÉRIELLE DEL’AS2S3. ... 46

FIGURE 1.35 APPROXIMATION DE L’EFFET DU DIAMÈTRE DE COEUR SUR LE ZDW DU MODE FONDAMENTAL (LP01) POUR UN TAPER OU UN MOF.LE CŒUR EST COMPOSÉ D’AS2SE3 ET LA

GAINE D’AIR.LA VALEUR DE NA DE CETTE FIBRE ATTEINT 2.58 EN MOYENNE.ON SUPPOSE UNE GÉOMÉTRIE CYLINDRIQUE ET CIRCULAIRE POUR LE CŒUR ET LA GAINE. ... 48

FIGURE 1.36EFFET DU DIAMÈTRE DU CŒUR D ET DE LA LONGUEUR D’ONDE SUR LA DISPERSION DU MODE FONDAMENTAL LP01 POUR UNE FIBRE HNASIF.LE COEUR EST COMPOSÉ D'AS2SE3 ET LA

GAINE D'AS2S3.LE NA RÉSULTANT EST DE 1.37... 49

FIGURE 1.37EFFET DU DIAMÈTRE DE CŒUR D’UNE HNASIF SUR LE ZDW DU MODE FONDAMENTAL

LP01.IL S'AGIT DES MÊMES COMPOSITIONS DE VERRE QUE LA FIGURE PRÉCÉDENTE. ... 50

FIGURE 1.38SCHÉMA CONCEPTUEL DE L'APPLICATION NUMÉRIQUE DE LA SSFM [276]. ... 54

FIGURE 1.39EFFET DE LA DISPERSION D’ORDRE 2 AUX NIVEAUX TEMPOREL ET SPECTRAL SUR UNE IMPULSION T0 = 500 FS ET P0 = 0.1 W. TOUS LES AXES SONT NORMALISÉS. PUISSANCE TEMPORELLE (A) ET DENSITÉ SPECTRALE DE PUISSANCE (B) AVANT (NOIR) ET APRÈS (BLEU) PROPAGATION. ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE TEMPORELLE (C) ET SPECTRALE (D) DE L’IMPULSION AU COURS DE LA PROPAGATION. ... 56

FIGURE 1.40ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE (A) ET DU CHIRP DISPERSIF (B) POUR UNE IMPULSION DE FORME SÉCANTE HYPERBOLIQUE POUR DIFFÉRENTES DISTANCES DE PROPAGATION EN RÉGIME DE DISPERSION ANOMAL. ... 57

FIGURE 1.41 EFFET DE LA DISPERSION D'ORDRE 3 LORS DE LA PROPAGATION D’UNE IMPULSION FEMTOSECONDE. LA DISPERSION D’ORDRE 2 EST NULLE DANS CE CAS-CI. PUISSANCE TEMPORELLE (A) ET DENSITÉ SPECTRALE DE PUISSANCE (B) AVANT (NOIR) ET APRÈS (BLEU) PROPAGATION. ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE TEMPORELLE (C) ET SPECTRALE (D) DE L’IMPULSION AU COURS DE LA PROPAGATION. ... 58

FIGURE 1.42EFFET COMBINÉ DES DISPERSIONS D'ORDRE 2 ET 3 SUR UNE IMPULSION DANS LE CAS THÉORIQUE OÙ LD=LD3.PUISSANCE TEMPORELLE (A) ET DENSITÉ SPECTRALE DE PUISSANCE

(B) AVANT (NOIR) ET APRÈS (BLEU) PROPAGATION.ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE TEMPORELLE

(C) ET SPECTRALE (D) DE L’IMPULSION AU COURS DE LA PROPAGATION. ... 59

FIGURE 1.43 ORIGINE DES EFFETS NON-LINEAIRES DANS UNE FIBRE OPTIQUE. LA FIGURE A ETE ADAPTEE DE [283]. ... 61 FIGURE 1.44ÉVOLUTION SPECTRALE D'UNE IMPULSION SÉCANTE HYPERBOLIQUE QUI SUBIT DE LA

SPM EN SE PROPAGEANT DANS UNE FIBRE OPTIQUE. LA DISPERSION ET LES PERTES SONT NÉGLIGÉES.T0=5 PS.PUISSANCE TEMPORELLE (A) ET DENSITÉ SPECTRALE DE PUISSANCE (B) AVANT (NOIR) ET APRÈS (BLEU) PROPAGATION.ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE TEMPORELLE (C) ET SPECTRALE (D) DE L’IMPULSION AU COURS DE LA PROPAGATION. ... 62

FIGURE 1.45 ÉVOLUTION DU CHIRP NON-LINÉAIRE SUR UNE DISTANCE DE 5 LNL CAUSÉE PAR LE

SPM. ... 63 FIGURE 1.46SCHÉMA CONCEPTUEL DE L'EFFET RAMAN PAR LA MÉCANIQUE QUANTIQUE, SOIT LA

CONVERSION D'UN PHOTON D'ÉNERGIE (𝝎P) PAR UNE MOLÉCULE EN UN PHOTON DE FRÉQUENCE INFÉRIEURE ET D'ÉNERGIE (𝝎S) [293]. ... 65

FIGURE 1.47PROFIL TEMPOREL D'UNE ONDE CONTINUE (CW) SUBISSANT LA MI (A) SOUMISE A DIFFERENTS PARAMETRES NON-LINEAIRES POUR UNE MEME DISPERSION ET (B) SOUMIS A DIFFERENTES DISPERSIONS D'ORDRE 2 ET A UN COEFFICIENT NON-LINEAIRE DE 40 [296]. ... 67

FIGURE 1.48LA COMPENSATION DU CHIRP NON-LINÉAIRE ET DISPERSIF MÈNE À LA FORMATION D'UN SOLITON FONDAMENTAL. ... 68

FIGURE 1.49DÉMONSTRATION EXPÉRIMENTALE DU SSFS QUI A PERMIS DE DÉMONTRER LE PREMIER LASER À FIBRE ÉMETTANT DES IMPULSIONS FEMTOSECONDES EN A) JUSQU'À 3.4 µM AVEC 9 MÈTRES DE FIBRE OPTIQUE ET EN B) JUSQU’À 3.6 µM AVEC 22 MÈTRES DE FIBRE OPTIQUE [156].

... 71 FIGURE 1.50EFFET DE LA LONGUEUR D'ONDE DE POMPAGE SUR LA GENERATION DE SC [304].LA

LIGNE POINTILLEE CORRESPOND AU ZDW DE LA FIBRE EN QUESTION. L’IMPULSION INJECTEE A UNE DUREE DE 50 FS ET UNE PUISSANCE CRETE DE 10 KW. ... 75

FIGURE 2.1SCHEMATIC OF THE EXPERIMENTAL SETUP.L1, SILICA LENS; L2-L4, ZNSE ASPHERIC LENSES;DM, DICHROIC MIRROR WITH HIGH REFLECTION (HR) AT 980 NM, HIGH TRANSMISSION

(HT) AT 2800 NM;LPF, LONG-PASS FILTER WITH CUTOFF WAVELENGTH AT 3 µM (-3 DB LEVEL). ... 79

FIGURE 2.2BACKGROUND LOSSES (SOLID BLUE) AND DISPERSION CURVE OF THE CHGSIF.THE INSET SHOWS AN IMAGE OF THE CHG FIBER CLEAVED FACE AFTER KOH ETCHING TO ENHANCE THE CORE/CLAD INTERFACE VISIBILITY. ... 81

FIGURE 2.3UNDOPED ZFG OUTPUT SPECTRUM EVOLUTION FOR SEVERAL AVERAGE OUTPUT POWERS.

THE CORRESPONDING LAUNCHED PUMP POWERS ARE SHOWN IN PARENTHESIS. SPECTRAL RESOLUTION WAS SET TO 10 NM. ... 82

FIGURE 2.4EVOLUTION OF THE OUTPUT SC SPECTRUM GENERATED WITH DIFFERENT FIBER LENGTHS AT A PUMP POWER OF 0.82W.THE CORRESPONDING AVERAGE OUTPUT POWERS ARE SHOWN IN PARENTHESIS.CHG INPUT REFERS TO THE LAUNCHED SC SPECTRUM INTO THE ASSE SIF. ... 83

FIGURE 2.5CHG OUTPUT/INPUT POWER RATIO AS A FUNCTION OF FIBER LENGTH.THE INPUT POWER IS 4.63 MW(0.82W PUMP POWER). ... 84

FIGURE 2.6 EVOLUTION OF SC SPECTRA GENERATED WITH A CHG FIBER LENGTH OF 3.5M AT DIFFERENT OUTPUT POWERS. CORRESPONDING LAUNCHED PUMP POWERS ARE SHOWN IN PARENTHESIS. ... 85

FIGURE 3.1SCHEMATIC OF THE EXPERIMENTAL SETUP.L1-L2,ZNSE ASPHERIC LENSES;LPF: LONG PASS FILTER, CUTOFF WAVELENGTH AT 3 µM (-3 DB LEVEL); CMS: CLADDING MODE STRIPPER. ... 91

FIGURE 3.2CALCULATED GROUP VELOCITY DISPERSION COEFFICIENTS (Β2)(SOLID LINE) AND MODE FIELD DIAMETERS (MFD)(DOTTED LINE) FOR THE THREE CHG FIBERS (TAB.3.1) BETWEEN 2 -7 µM. ΛI REFERS TO INPUT WAVELENGTH. ... 92 FIGURE 3.3COMPARISON OF THE MEASURED OUTPUT SC SPECTRA FROM THREE CHGSIFS WITHOUT

AR-COATINGS AT THE MAXIMUM INPUT POWER. ... 93

FIGURE 3.4EXPERIMENTAL OUTPUT SPECTRUMS OF THE GENERATED SC FOR DIFFERENT PUMPING LEVEL.THE CORRESPONDING AVERAGE OUTPUT POWER IS SHOWN IN THE LEGEND AS WELL AS THE OD NUMBER OF THE USED FILTER. ... 94

FIGURE 3.5 TRANSMISSION OF THE POLISHED ASSE SAMPLE WITH AND WITHOUT AL2O3 AR-COATING(S).THE DASH LINES CORRESPOND TO THE CALCULATED FRESNEL REFLECTION OF ONE

(SMALL DOTS) AND TWO SURFACES (THICK DOTS).INSET: A PICTURE OF THE AL2O3AR-COATED

ASSE SAMPLE. ... 95

FIGURE 3.6COMPARISON OF THE SC SPECTRUM AT THE OUTPUT OF THE AR-COATED (BLUE) AND UNCOATED ASSE/S(RED) FIBER AT MAXIMUM INPUT POWER. ... 96

FIGURE 3.7COMPARISON OF THE MEASURED SC OUTPUT POWER WITH RESPECT TO THE INCIDENT POWER, FOR EXPERIMENTS WITH (TRIANGLES) AND WITHOUT (CIRCLES)AR-COATINGS.LINEAR REGRESSIONS ARE ALSO SHOWN NEXT TO EACH CORRESPONDING DATASET. ... 97

L

ISTE DES

A

BBRÉVIATIONS ET DES

A

CRONYMES

ANDi – dispersion tout-normale, «all-normal dispersion» Chirp (C) – dérive en fréquence, «chirp»

ChG – verre de chalcogénure, « chalcogenide glass »

CPA – amplification d’impulsions étirées, «chirped pulse amplification» CW – onde continue, « continuous wave »

Cutoff – longueur d’onde de coupure, «cutoff wavelength» ED – effet dispersif, «dispersive effect»

Er-FG – verre fluoré dopé à l’erbium, « erbium-doped fluoride glass » FBG – réseau de Bragg fibré, « fiber Bragg grating »

FL – laser à fibre, « fiber laser »

FWHM – largeur à mi-hauteur, « full width half maximum » FWM – mélange à quatre ondes, « four wave mixing » GES – gaz à effet de serre, «green house gas»

GVD – dispersion de la vitesse de groupe, « group velocity dispersion » GS – «Gain-switched»

HR – haute réflectivité, « high reflection »

HNASIF – fibre à saut d’indice à haute ouverture numérique, «high numerical aperture step-index fiber»

IR – infrarouge, « infrared »

IRS – diffusion Raman intra-impulsion, «intrapulse Raman scattering» kW – kilowatt, «kilowatt»

LB – largeur de bande, «bandwidth»

LD – longueur dispersive, «dispersive length» LNL – longueur non-linéaire, «non-linear length»

LPF – filtre transmettant à hautes longueurs d’onde, « long-pass filter » LR – basse réflectivité, « low reflection »

MI – instabilité de modulation, «modulation instability» Mid-IR – infrarouge moyen, «mid-infrared»

MFD – diamètre du mode, « mode field diameter » ML – synchronisation modale, «mode-lock»

MOF – fibre optique microstructuré, «micro-structured optical fiber»

MOPA – oscillateur maître à amplificateur de puissance, «master oscillator power amplifier»

mW – milliwatt, «milliwatt» MW – megawatt, «megawatt»

NA – ouverture numérique, « numerical aperture »

NPR – rotation non-linéaire de la polarisation, «non-linear polarisation rotation» NLS – équation nonlinéaire de Schrödinger, « nonlinear Schrödinger equation» OPA – amplification paramétrique optique, « optical parametric amplification » OPO – oscillation paramétrique optique, « optical parametric oscillation »

OPCPA – amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence, «optical parametric chirped pulse amplification»

OWB – onde de choc optique, «optical wave breaking» QCL – laser à cascade quantique, « quantum cascade laser » QS – «Q-Switched»

RFL – laser à gain Raman fibré, « Raman fiber laser » RTI – réflexion totale interne, «total internal reflexion» SC – supercontinuum, «supercontinuum»

SIF – fibre à saut d’indice, «step-index fiber»

SPM – automodulation de phase, «self-phase modulation» SRS – diffusion Raman stimulé, «stimulated Raman scattering» SSFM – méthode de Fourier pas-à-pas, «split step Fourier Method»

SSFS – autodécalage fréquentiel solitonique, «soliton self frequency shift» SS – autoraidissement, «self-steepening»

Tg – temperature de transition vitreuse, «glass transition temperature» TW– terawatt, «terawatt»

XPM – modulation de phase croisé, «cross-phase modulation»

« Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

»

R

EMERCIEMENTS

Ce mémoire de maîtrise n’aurait pu voir le jour sans l’appui de plusieurs personnes. Tantôt des conseils, tantôt du support moral, ils ont tous contribué à leur manière au succès de mon projet de maîtrise et à mon épanouissement en tant que chercheur. Je tiens d’abord à remercier mes directeurs et mon superviseur de recherche chaleureusement. Merci à mon directeur de recherche, Martin Bernier. Merci à mon codirecteur de recherche, Réal Vallée. Merci à mon superviseur de recherche en milieu industriel, Stéphane Châtigny.

Merci à l’ensemble de mes collègues de recherche : Vincent Fortin, Simon Duval, Jean-Christophe Gauthier, Frédéric Jobin, Frédéric Maes, Yigit Ozan Aydin, Pascal Paradis et Louis-Philippe Pleau.

Merci à CorActive High-Tech et à son équipe, spécialement à Jean-Luc Delarosbile et à Jean-Noël Maran.

Merci aux organismes subventionnaires : le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI), le Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FRQNT), le Programme des chaires d’excellence en recherche du Canada (CERC), le programme Mitacs et l'Institut canadien pour les innovations en photonique (ICIP).

Merci enfin à mes proches et à ma famille : ma conjointe, Sarah Maud, ma mère, Paule, mon frère, Laurent-David, mes sœurs, Audrey et Rose-Élizabeth et mes beaux-parents, Guy et Judith. Merci pour votre soutien, vos encouragements et votre intérêt sincère envers mes études.

A

VANT

-

PROPOS

Ce mémoire recueille l’ensemble des travaux qui ont été réalisés au courant d’un projet à caractère industriel dans le cadre d’une bourse BMP innovation avec CorActive High-Tech. L’objectif primaire était de générer du SC dans le mid-IR via des fibres optiques en verre de chalcogénures à saut d’indice. On vient définir les objectifs de la maîtrise, la structure du mémoire ainsi que ma contribution personnelle aux articles scientifiques.

Objectifs

La génération de SC fournit une excellente plateforme pour étudier les effets non-linéaires fondamentaux importants lors de la propagation d’impulsions dans une fibre optique et leurs liens avec d'autres domaines de la physique. Plus spécifiquement, les objectifs de la maîtrise ont été de :

1. Développer une source SC sur la plage entre 5 et 7 µm ;

2. Maîtriser les concepts théoriques reliés à la génération de SC ;

3. Développer des compétences expérimentales reliées aux fibres spécialisées ainsi qu’à la génération de SC ;

4. Contribuer à la littérature scientifique ;

5. Promouvoir les fibres de chalcogénures fabriquées commercialement par CorActive High-Tech.

Structure du mémoire

Le mémoire est séparé en 3 chapitres. Suite à l’introduction décrivant les motivations de cette maîtrise, les applications laser dans l’infrarouge moyen et les bases théoriques portant sur la génération de SC seront abordées au chapitre 1. Ce chapitre contient une revue de littérature exhaustive des SC mid-IR ainsi qu’une revue sur les sources de pompage. Subséquemment, la théorie gouvernant la fibre optique ainsi que les effets non-linéaires sont décrits en détails. Le chapitre 2 présente le premier article scientifique publié au cours de la maîtrise portant sur le premier SC cascadé s’étendant jusqu’à 8 µm. Le chapitre 3 présente un deuxième article portant cette fois-ci sur un SC basé sur une architecture entièrement fibrée qui offre pour la première fois une puissance moyenne avoisinant l’échelle du watt dans le mid-IR de manière cohérente. Enfin, la conclusion fait le point sur les travaux du présent mémoire et suggère des prochaines étapes qui découleront de ces travaux.

Contribution personnelle aux articles

Au chapitre 2, on présente un article paru dans Optics Letters en octobre 2016 : «Robichaud, Louis-Rafaël, et al. "Compact 3–8 μm supercontinuum generation in a low-loss As2Se3 step-index fiber." Optics Letters 41.20 (2016): 4605-4608». Les travaux réalisés et présents dans cet article ont été les premiers à démontrer un SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 µm. Le guide d’onde non-linéaire fut une fibre d’AsSe monomode ayant une coupure à 5.2 µm à saut d’indice. La pompe fut un SC décalée jusqu’à 4.2 µm généré par l’amplification d’impulsions de 400 ps à 2.8 µm.

Ma contribution à cet article peut être considérée à plusieurs niveaux : 1. J’ai conçu le protocole de l’expérience avec l’aide de Martin Bernier;

2. J’ai caractérisé les pertes de fonds de la fibre d’AsSe, mesuré son profil géométrique ainsi que calculé sa dispersion avec le logiciel Lumerical;

3. J’ai calibré et adapté le monochromateur pour qu’il soit capable de mesurer des longueurs d’onde jusqu’à 12 µm;

4. J’ai mesuré tous les spectres de SC présentés dans l’article; 5. J’ai préparé l’ensemble des figures présentées dans l’article; 6. J’ai analysé les résultats.

7. J’ai rédigé l’article avec l’aide de mes co-auteurs

Pour l’ensemble de ces raisons, j’ai mérité la position de premier auteur pour cet article.

Le chapitre 3 présente un deuxième article soumis dans Optics Express en juillet 2019, dont voici la référence :«Robichaud, Louis-Rafaël, et al. "High-power supercontinuum generation in the mid-infrared pumped by a soliton self-frequency shifted source." Optics Express (2019), submitted». Cet article reporte le premier SC mid-IR combinant de multiples valeurs ajoutées comme une haute puissance moyenne, une degré de cohérence élevé, un faisceau limité par la diffraction, une couverture entre 3-5 µm et une possibilité d’intégrer l’architecture en système «tout-fibre». Pour ce faire, nous avons utilisé une source fibrée femtoseconde décalée à 3.6 µm pour pomper différentes fibres optiques de chalcogénure à saut d’indice. La fibre optique monomode a permis de démontrer un SC cohérent alors que la fibre HNASIF a permis d’élever le record en terme de puissance moyenne pour des SC à base de fibre en arséniure de sélénium. Ma contribution à cet article fut comme suit :

1. J’ai élaboré le protocole de recherche; 2. J’ai assemblé le montage expérimental;

3. J’ai caractérisé l’ensemble des résultats générés; 4. J’ai analysé les résultats;

5. J’ai rédigé l’article majoritairement.

En somme, j’ai mérité le titre de premier auteur pour ma contribution majeure à cet article.

0.

I

NTRODUCTION

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum dans l’infrarouge moyen à partir de fibres optiques à saut d’indice en verre de chalcogénures. Pourquoi ?

0.1 Les motivations

Le sujet de ce mémoire implique trois grands sujets du domaine de l’optique-photonique : le supercontinuum, l’infrarouge moyen et la fibre optique. Or, chacun de ces sujets offre des valeurs ajoutées uniques pour des applications en spectroscopie par leurs caractéristiques physiques. Leurs avantages seront discutés succinctement dans ce chapitre. Les applications possédant le plus de potentiel suite au développement d’une source SC mid-IR à fibre optique seront présentées par la suite, au meilleur de mes connaissances. Ultimement, le but de cette maîtrise est d’aider au développement et à la compréhension des prochaines générations de systèmes lasers opérant dans l’infrarouge moyen (mid-IR).

0.2 Pourquoi le supercontinuum (en bref…) ?

D’une manière générale, la génération de supercontinuum est le mécanisme d’élargissement spectral extrême de la lumière qui résulte d’effets non-linéaires provenant de l’interaction entre un laser de pompage (typiquement pulsé) et d’un guide d’onde non-linéaire (typiquement une fibre optique). D’une manière plus technique, une source SC possède généralement les caractéristiques suivantes : un spectre avec plus d’une octave optique de bande passante simultanée ainsi qu’un spectre lumineux continu.

Comparativement aux autres sources de lumière, le supercontinuum (SC) possède l’avantage d’être « broad as a lamp, bright as a laser» selon William Kaenders [1]. Le SC combine la vaste étendue spectrale d’un corps noir à la forte intensité lumineuse d’un laser. À la Figure 0.1, on présente l’allure typique du spectre d’un supercontinuum où l’on en profite pour présenter l’un des résultats majeurs des travaux de cette maîtrise qui a mené à une publication dans Optics Letters [2] ainsi qu’à une conférence internationale [3]. Le détail de cette expérience se retrouve au chapitre 2.

Figure 0.1 Spectre du premier supercontinuum émis par une source compacte atteignant 8 µm.

0.3 Pourquoi l’infrarouge moyen?

Depuis maintenant des décennies, une masse critique de chercheurs tentent de mettre au point de nouvelles sources de lumière opérant dans l’infrarouge moyen (3 à 20 µm) du spectre électromagnétique. En effet, l’infrarouge moyen révèle la signature spectrale de la majorité des vibrations fondamentales moléculaires. Ce qui veut dire que l’infrarouge moyen contient les longueurs d’onde pour lesquelles la lumière est absorbée le plus fortement par les vibrations moléculaires. Pour s’en convaincre, on peut étudier rapidement le système masse-ressort simplifié suivant, celui du méthane (CH4).

On suppose qu'une liaison covalente agit comme un ressort de force constante k, retenant deux masses, m1 et m2, ensemble. En solutionnant les équations différentielles du mouvement pour ce système de masse couplée, on trouve que le produit est un mouvement harmonique avec la fréquence de résonance suivante [4]:

𝝊 = 𝟏 𝟐𝝅𝒄 √

𝒌 𝝁

où c est la vitesse de la lumière et μ la masse réduite,

𝝁 = 𝒎𝟏𝒎𝟐 𝒎𝟏+ 𝒎𝟐

Par exemple, pour obtenir une estimation approximative de la fréquence d'absorption résonante d'une liaison C-H, nous utilisons une valeur de k = 5 × 10−8 N/m, typique pour une simple liaison covalente, et 19,8 × 10−27 et 1,64 × 10−27 kg pour les masses des atomes de carbone et d'hydrogène respectivement. En insérant ces valeurs dans les dernières équations, on obtient une fréquence de résonance de ∼ 3041 cm−1, ce qui correspond à une longueur d'onde de résonance de ∼ 3.29 µm.

Cette estimation est validée expérimentalement à la Figure 0.2. Cette dernière compare les bandes d’absorption du méthane réelles situées à 1.65 µm, 2.3 µm, 3.3 µm et 7.8 µm. Comme on s’aperçoit, l’absorption de la bande fondamentale à 3.3 µm est 100 fois plus élevée que celle située à 1.65 µm, vu que cette dernière est la première harmonique de la résonance.

Figure 0.2 Coefficient d'absorption du méthane sur une plage spectrale entre 1.5 et 15 µm. La résonance fondamentale se situe à 3.3 µm. La figure provient de [5].

Tantôt on souhaite les viser, tantôt on désire les éviter, les vibrations intramoléculaires jouent un rôle fondamental dans l’interaction laser-matière. Ainsi, cette région spectrale est souvent dénommée dans la littérature de «molecular fingerprint region». La Figure 0.3 présente la signature spectrale des liens interatomiques les plus communs [6]:

Figure 0.3 Signatures spectrales des principales liaisons interatomiques [6].

En plus de contenir l’information sur la nature moléculaire, le mid-IR est aussi l’endroit où les pertes atmosphériques sont au minimum (voir la Figure 0.4 [7]), ce qui implique que le mid-IR est la région spectrale idéale pour les applications nécessitant la propagation d’un faisceau laser dans l’atmosphère sur de grandes distances.

Figure 0.4 Transmission spectrale de l'atmosphère sur 4 km au niveau de la mer. La transmission maximale se situe autour de 3.9 µm [7].

0.4 Pourquoi la fibre optique?

Étant un guide d’onde électromagnétique, la fibre optique permet le confinement de la lumière à l’échelle micrométrique sur de longues distances d’une manière extrêmement efficace. Son plus grand succès est sans aucun doute l’avènement de l’internet grâce à ses excellentes propriétés de guide d’onde et son faible coût de production. La fibre optique, dû à sa géométrie filaire, permet de répartir les contraintes thermiques sur de grandes longueurs reliées à la propagation de haute puissance lumineuse.

Ses nombreuses qualités ont également changé à jamais d’autres secteurs technologiques. Elle sert désormais de milieu de gain laser, de générateur d’effets non-linéaires (notamment pour la génération de SC), de détecteur de grandeurs physiques (température, pression, vitesse, etc.), etc.

1.

C

HAPITRE

1 :

B

ASES THÉORIQUES

ET APPLICATIONS SUR LA GÉNÉRATION

DE SUPERCONTINUUM

La génération de supercontinuum est un phénomène physique très complexe qui nécessite la compréhension d'un large éventail de connaissances en optique-photonique. Tel que discuté en introduction, un SC provient de l’interaction non-linéaire d’une onde électromagnétique avec les électrons et aussi les vibrations moléculaires (lesquelles mènent à l’effet Raman) d’un matériau. La Figure 1.1 présente le schéma classique de génération de SC dans une fibre optique. Typiquement, une onde électromagnétique hautement énergétique est propagée dans une fibre optique. Elle subit des effets non-linéaires menant à un élargissement spectral et, si l’élargissement est assez important, par définition au-delà d’une octave, il s’agit de génération de SC. La technique la plus simple pour atteindre le seuil non-linéaire des matériaux est de comprimer l’énergie lumineuse sous la forme d’impulsions ultrabrèves. Ce chapitre se consacre à expliquer les concepts théoriques nécessaires à la compréhension de la génération de SC mid-IR.

Figure 1.1 Schéma conceptuel typique pour la génération de SC.

Plus spécifiquement, la section 1.1 porte sur les applications d’un SC mid-IR. La section 1.2 présente la revue de littérature des SC mid-IR. Cette section est entamée par une

explication et une revue de littérature des lasers pulsés opérant dans le mid-IR. Par la suite, la théorie gouvernant la fibre optique fera l’objet de la section 1.3. On comprendra que la dispersion de la fibre optique ainsi que sa non-linéarité jouent un rôle très important sur la génération de SC. À la section 1.4, on vient décrire la physique de la propagation d’une impulsion dans une fibre optique. Les principaux phénomènes non-linéaires et dispersifs y sont traités avec des simulations à l’appui. Par la suite, on décrira les mécanismes de génération de SC.

1.1 Applications des sources de supercontinuum

Une panoplie d’applications existent pour un SC mid-IR. D'une manière générale, la technologie du SC a un grand potentiel dans les domaines où une source de SC unique peut remplacer plusieurs lasers fonctionnant simultanément à différentes longueurs d'onde. Plusieurs revues de littératures ont précisément fait le point sur les applications de sources SC mid-IR [8–12]. Parmi ces applications, la spectroscopie est le domaine le plus sujet à être amélioré par le développement d’un SC mid-IR.

La spectroscopie laser est basée sur l’utilisation de la loi de Beer-Lambert-Bouguer [13–15]. Selon cette loi empirique, on peut quantifier la nature et la concentration d’une molécule en interrogeant un milieu avec un laser. La spectroscopie d’une ou plusieurs molécule(s) est effectuée grâce au coefficient d’absorption 𝜶 qui dépend de la longueur d’onde pour chaque molécule. Voici l’expression mathématique de la loi de Beer-Lambert-Bouguer :

𝐈 = 𝐈_𝟎𝐞𝐱𝐩(−𝜶𝒍) (1.1)

où I correspond à l’intensité après l’interaction avec la matière, I0, à l’intensité avant l’interaction, 𝜶, au coefficient d’absorption [1/m], l, à la longueur effective propagée dans l’échantillon [m].

La géométrie de base pour les applications en spectroscopie consiste à illuminer un échantillon avec une source SC et à mesurer la lumière transmise ou réfléchie provenant de l’échantillon gazeux, liquide ou solide avec un détecteur approprié. La grande famille des applications en spectroscopie peut être divisée en deux segments : les applications en télédétection et celles en microscopie.

1.1.1 La télédétection

1.1.1.1 Télédétection des gaz à effet de serre – Environnement

Le développement de nouveaux systèmes optiques de surveillance à distance des émissions de gaz à effet de serre (GES) est nécessaire pour de nombreuses applications industrielles, environnementales et en sécurité.

Par exemple, ces systèmes sont désirés pour identifier les fuites des infrastructures d'extraction, de raffinage et de transport du gaz naturel. En plus de représenter des pertes financières pour les entreprises, les fuites de gaz doivent être minimisées pour réellement concrétiser le potentiel environnemental du remplacement du charbon, de l'essence ou du diesel par le gaz naturel. En outre, l’identification et la quantification des gaz sortant des cheminées industrielles sont d'intérêt principal, à la fois pour enfin identifier les émissions de GES et aussi pour protéger la population face aux GES qui peuvent directement menacer leur santé [16].

De surcroît, en vue d’être capable d’appliquer les nouveaux règlements environnementaux [17], il faut que les autorités soient capables de mesurer les émissions de GES en dehors du périmètre d'une propriété inaccessible. Une configuration terrestre est illustrée à la Figure 1.2 par un exemple de télédétection de GES.

Figure 1.2 Exemple de configuration sur le terrain d'un système de télédétection spectroscopique par absorption de GES [18].

Tel qu’expliqué à la section 0.3, le mid-IR est la région spectrale où la majorité des résonances fondamentales des molécules sont retrouvées, y compris les GES (Figure 1.3). C’est pourquoi plusieurs chercheurs ont maintenant choisi de concevoir leurs systèmes spectroscopiques dans le mid-IR.

Figure 1.3 Spectres d'absorption des principaux constituants atmosphériques [19]. Les approches de télédétection de gaz ont été revues par plusieurs auteurs [19–24]. Parmi ces approches, l’une des techniques les plus populaires est l’approche « tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS)». L’idée de base de cette technique est de faire varier la longueur d’onde du laser autour d’une raie spectrale du gaz à identifier (<0,5 nm) de manière à optimiser le contraste. Par exemple, la NASA a développé un système de spectroscopie basé sur un laser accordable autour de 3.27 µm qui mesure le méthane de l’atmosphère de la planète Mars [25]. Quoique très sensible et très précise, le problème inhérent de cette technique est qu’elle est limitée par la plage de balayage en longueur d’onde du laser et, par le fait même, à la mesure de quelques raies d’absorption au maximum. Par contre, cette méthode est parfaitement adaptée pour les applications visant la quantification d’une seule molécule.

Figure 1.4 Luminosité des sources SC à base de fibres de silice, de fluorure et de chalcogénure par rapport à un synchrotron et un Globar (corps noir à 1 500 K) [26].

Pour remédier à ce problème, une autre approche qui devient de plus en plus populaire en spectroscopie laser est d’utiliser une source supercontinuum mid-IR, technique appelée spectroscopie d'absorption par supercontinuum (SAS).

Or, malgré le potentiel de détecter simultanément plusieurs GES (voir Figure 1.7) grâce à une luminosité accrue (voir Figure 1.4), il n’y a eu que quelques travaux à ce jour utilisant le SAS pour quantifier des GES [27–32], principalement parce que les sources SC sont très récentes et peu disponibles. Par exemple, en 2014, Cézard et al. ont démontré un système SAS mesurant le méthane en utilisant un SC mid-IR cascadé ZBLAN et un spectrographe maison [28]. Leur système permettait de mesurer rapidement (<0.1 s) un spectre large (>200 nm) avec une résolution de 0.8 nm autour de la bande de résonance fondamentale de 3.3 µm la concentration de méthane dans une cellule. La Figure 1.5 présente le schéma expérimental en transmission d’un système SAS [27] :

Figure 1.5 Schéma d'un système de spectroscopie d'absorption par supercontinuum (SAS) [33].

Plus récemment, la compagnie NKT Photonics a réussi à réduire la taille d’une source SC ZBLAN à moins de 0.6 L en volume. Cette avancée technologique vise à intégrer les sources SC fibrées sur des drones en vue d’effectuer des mesures SAS efficacement et rapidement. Ce supercontinuum est présenté à la Figure 1.6.

Figure 1.6 Source SC mid-IR miniature qui servira aux applications en télédétection spectroscopique [34].

1.1.1.2 Caractérisation de combustion interne – Industrielle

De la même manière que précédemment, l'étude et la caractérisation des systèmes de combustion tels que les moteurs à combustion interne (CI), les turbines à gaz ou les fours industriels pourraient bénéficier du développement d’une source SC mid-IR. En effet, il est essentiel de mesurer des quantités physiques telles que la température, la pression et les concentrations d'espèces avec une résolution temporelle élevée, c'est-à-dire de l'ordre de la dizaine de microsecondes selon Walewski et al. [35] ou de l’ordre de la milliseconde selon Werblinski [36] pour les moteurs à CI.

Durant un cycle complet du moteur, les conditions ambiantes sont difficiles à mesurer à l'intérieur du cylindre puisqu’elles varient sur une large plage de température et de pression. Typiquement, on cherche à quantifier des caractéristiques générales du moteur telles que le début de l'allumage, l'efficacité de la combustion et la formation de polluants. Tous ces paramètres dépendent fortement de la température; c’est pourquoi l'accent est mis sur la mesure précise de la température des différents gaz, et ce à grande vitesse. L’approche de détection SAS et, par le fait même, la détection de multiples transitions d'absorption, offre la possibilité de déterminer la température à partir du rapport d'au moins deux absorptions caractéristiques. Il s’agit donc d’une approche potentiellement très sensible et rapide pour mesurer la température.

En somme, l’utilisation d’une source SC pour caractériser la CI d’un moteur pourrait être très avantageuse. Plus il y a d’informations spectrales qui sont obtenues sur les constituants, plus la détermination des grandeurs physiques devient précise et possible [37]. À la Figure 1.7, on présente les principaux composés qui peuvent être surveillés lors d’une CI.

Figure 1.7 Raies d'absorption de plusieurs molécules présentes en CI couvertes par le spectre du supercontinuum [38]. Ces raies peuvent être utilisées pour surveiller la présence de divers gaz pendant la CI. La courbe en noir correspond au spectre du SC mid-IR présenté dans l’article en question.

1.1.1.3 Télédétection de traces d’explosif, de gaz nocifs et de drogues – Défense & Sécurité

La SAS peut être utilisée pour détecter des agents chimiques d’intérêt dans le domaine de la défense & sécurité. D’une part, la détection SAS peut être utilisée pour la détection d'armes et d’explosifs, puisque certains résidus provenant des armes ou des explosifs, comme la poudre à canon, peuvent être détectés en utilisant des techniques de spectroscopie à distance.

Un ingrédient principal de la poudre de fusil est la nitrocellulose (PETN), qui a des caractéristiques spectrales claires centrées autour de 2,86 microns et 3,45 microns. Bien qu'il existe également des raies au-delà de 6 microns, de nombreuses substances chimiques ont beaucoup de raies d’absorption dans cette gamme de longueurs d'onde. Il devient alors difficile de trier un produit chimique à cause de l'interférence, conduisant à une mauvaise sélectivité et sensibilité.

Au-delà de la nitrocellulose, il existe également un certain nombre d'additifs dans la poudre de fusil, dont les principaux sont donnés dans le Tableau 1.1 ci-dessous [39]. On comprend alors qu’un bon nombre des composants de la poudre à canon possèdent des signatures dans le mid-IR, notamment entre 2 et 5 microns.

Explosif Bandes d’absorption

PETN (pentaerythritol tetranitrate) 3.31, 3.35, 3.44 µm RDX (cyclotrimethylenetrinitramine) 3,25, 3.33 µm

TNT 3.23, 3.27 µm

Nitrate de potassium 3.59, 3.65 µm

Tableau 1.1 Principaux agents chimiques explosifs.

Par exemple, Kumar et al. [40] ont produit un SC mid-IR cascade ZBLAN s'étendant de 0,75 à 4,3 μm (à -20 dB). Cette source a été utilisée pour la télédétection d’explosifs ciblés sur des surfaces solides. Les auteurs ont utilisé un monochromateur pour récupérer le spectre d'absorption avec une résolution d’environ 10 nm. Le schéma expérimental de leur système SAS est présenté à la Figure 1.8. Notons que ce type de système de télédétection est différent de celui présenté en 1.2.1.1 et 1.2.1.2 vu que c’est la rétrodiffusion diffuse qui est captée. Ceci implique que ce signal diffus est beaucoup plus faible. Le SC doit ainsi offrir de grandes énergies par impulsion pour attaquer ce problème.

Grâce à ce système, ils ont réussi à mesurer plusieurs explosifs avec leur système SAS comme le TNT, le RDX, le PETN ainsi que le nitrate de potassium jusqu’à une distance de 150 m. Les spectres expérimentaux en absorbance sont présentés à la Figure 1.9.

Figure 1.8 Schéma expérimental d'un système de télédétection par rétrodiffusion diffuse illuminée par une source SC mid-IR [40].

D’autre part, le SAS pourrait permettre la télédétection de substances chimiques qui sont utilisées pour des applications militaires ou des activités terroristes comme les drogues ou les agents chimiques. À titre d'illustration, les drogues telles que la cocaïne, la méthamphétamine, la MDMA (ecstasy) et l'héroïne ont des signatures spectrales distinctes dans la gamme de longueurs d'onde de 2-5 microns [39]. Enfin, de nombreux agents chimiques, comme le sarin, le cyclosarin, le soman, le tabun et le gaz moutarde ont des caractéristiques d'absorption dans la fenêtre de 3 à 4 microns, en particulier autour de 3,3 microns [39].

Figure 1.9 Absorbance spectrale de quatre échantillons (TNT, RDX, PETN et Nitrate de potassium) illuminés par une source SC mid-IR tel que mesuré par [40].

1.1.2 La microspectroscopie

Tirant aussi avantage des résonances fondamentales moléculaires contenues dans le mid-IR, la dernière famille d’applications à haut potentiel pour une source SC mid-IR concerne la microspectroscopie ou la microscopie hyperspectrale.

L’idée de base de la microspectroscopie est de produire des images hyperspectrales à l’aide d’un microscope et d’un balayage en longueur d’onde. Pour ce faire, l’une des méthodes populaires consiste à mesurer le spectre incident à chacun des points spatiaux (x,y,z) analysés. Cette technique de microscopie permet de faire ressortir la nature moléculaire à l’échelle microscopique, et ce, à chacun des pixels de l’image. L’un des défis actuels les plus importants pour la microspectroscopie est de maximiser le ratio signal-à-bruit. Il faut effectivement optimiser l’amplitude du signal détecté tout en minimisant le bruit de la mesure. Il faut ainsi maximiser en même temps la puissance laser et la sensibilité du détecteur tout en minimisant le bruit du laser et du détecteur. Or, lorsque l’on veut acquérir très rapidement l’information spectrale, un défi majeur d’acquisition est imposé sur le système de détection spectrale. Étant donné que le spectre du SC est large, il devient difficile de mesurer rapidement la puissance optique à chacune des longueurs d’onde. Plusieurs analyseurs spectraux ont été utilisés à ce jour dont le monochromateur [40] et le spectromètre [28].

Les premiers travaux de microspectroscopie mid-IR démontrés ont été effectués essentiellement par une illumination avec un globar ou avec un synchrotron. Le problème principal de ces deux sources réside dans leurs faibles densités de puissance (< 0.1 µW/nm) (voir Figure 1.4). Ces sources de lumière sont effectivement à des ordres de grandeurs d’une source SC (jusqu’à 1 mW/nm et même plus) en matière de densité spectrale. Le faible ratio signal-à-bruit résultant vient ainsi limiter la rapidité de l’acquisition.

Néanmoins, d’intéressants résultats ont été obtenus avec ces sources mid-IR en microspectroscopie. Par exemple, Nallala et al. ont récemment démontré qu’il était possible de détecter des cellules cancéreuses d’un échantillon de côlon avec 86% de confiance en utilisant un système de microscopie FTIR [41]. À titre d’illustration, la Figure 1.10 présente les principaux résultats de cet article.

Figure 1.10 Comparaison d'images traditionnelles et hyperspectrales IR d’un côlon cancéreux [41]. La ligne du haut présente une image à champ de vue large alors que la ligne du bas présente une image magnifiée du même côlon. L’histogramme à la droite évalue le pourcentage où une couleur de l’image hyperspectrale est pixélisée.

Des premiers travaux de microspectroscopie par illumination d’un SC mid-IR ont été rapportés en 2012 par Dupont et al. [42]. Leur système est présenté à la Figure 1.11. Ils ont utilisé une source mid-IR s’étendant de 1.4 à 4 µm afin d’illuminer en transmission l’échantillon qui fut positionné sur une platine de translation x-y-z. Le signal récolté fut analysé par un spectromètre. L’un de leurs résultats les plus convaincants a été d’imager un mélange d’eau et d’huile. Ces résultats sont présentés à

la Figure 1.12. La première image (a) a été prise avec un microscope traditionnel, alors que les images (b) et (c) correspondent aux longueurs d’onde de 3.005 µm et de 3.44 µm respectivement. La résolution de chaque pixel était de 5µm x 5µm. La comparaison de ces deux images indique clairement la nature moléculaire à chacun des endroits de l’image.

Depuis, plusieurs ont réussi à démontrer le potentiel des sources SC mid-IR pour des applications en microspectroscopie telles que la caractérisation de tissus biologiques et la caractérisation de matériaux. Voici quelques résultats intéressants à ce sujet.

Figure 1.11 (a) Schéma expérimental d'un système de microspectroscopie utilisant une source SC mid-IR (b) Spectre de la source SC [42].

Figure 1.12 Images spectrales acquises du système de microspectroscopie [42]. (a) Image au microscope traditionnel ; (b) image à 3.005 µm et (c) image à 3.44 µm.

1.1.2.1 Caractérisation de tissus

Récemment, un article paru dans Optica démontre bel et bien le potentiel de l’application d’une source SC mid-IR pour la microspectroscopie d’une section de foie autour de 3.4 µm [43]. Dans cet article, il est démontré que l’imagerie à l’aide d’une source SC mid-IR permet d’augmenter le rapport signal-à-bruit comparativement à l’utilisation d’un synchrotron, Figure 1.13. Dans cette figure, on peut constater une maigre amélioration du contraste.

Curieusement, pour obtenir ces images, ils ont dû diminuer la puissance moyenne du SC fibré par deux ordres de grandeur en plus de filtrer le spectre autour de 3.5 µm avec un filtre passe-bande. Pour des puissances lumineuses trop élevées, le laser endommageait les tissus en plus de saturer le détecteur MCT refroidi.

Figure 1.13 (a) Comparaison des images hyperspectrales d’une section de foie (b) obtenues à l'aide d'une source supercontinuum et (c) d'un synchrotron [43]. Les pixels ont une dimension de 3µm par 3µm.

1.1.2.2 Caractérisation de matériaux

En 2015, Farries et al. ont caractérisé des films de polymères à l’aide d’un système de microspectroscopie employant un SC mid-IR ainsi qu’un filtre acousto-optique accordable [44]. L’avantage de ce filtre est sa rapidité avec laquelle il peut changer la longueur d’onde filtré (<200 µs). Ainsi, avec une caméra ultrarapide, ils ont imagé à deux longueurs d’onde (3650 nm et 3970 nm) des films de polymère que l’on peut voir à la Figure 1.14. Leur système fut limité au taux de rafraichissement de la caméra, soit à 85 images/seconde.

Figure 1.14 Exemples d'images spectrales de 300k pixels de film de polymère prises aux longueurs d’onde 3650 (a) et 3970 (b) nm et (c) spectre d'un seul pixel [44]. En 2016, Kilgus et al. ont rapporté un système de spectroscopie employant un «MOEMS- based Fabry-Perot microspectrometer (FPMS)» pour filtrer le spectre du supercontinuum [45]. Dans cet article, ils ont proposé et démontré quatre applications employant leur méthode : la caractérisation de polypropylène (PP) vs le polyéthylène-téréphtalate (PET), la caractérisation de la concentration d’acide acétique dans une cellule micro fluidique, la caractérisation de la contamination d’huile sur de l’aluminium et, enfin, la caractérisation de peintures noires appliquées sur de l’aluminium. La prochaine figure présente ces résultats.

Figure 1.15 Quatre exemples d’application différentes proposées en 2016 par Rilgus et al. [45]. (en haut) Mesures en géométrie de transmission: feuilles de polymère et solutions aqueuses d'acide acétique dans une Flow Cell de 130 µm avec fenêtres CaF2, (en bas) mesures en géométrie de réflexion: contamination par huile et trois types de peintures sur une surface en aluminium, analysée par cartographie chimique.

1.2 Revue de littérature

L’étude des mécanismes menant à la génération de SC a bien été documentée depuis sa découverte en 1969 [46] ainsi que sa première démonstration dans une fibre optique en 1976 [47]. Depuis, d’excellents livres de référence [48,49] et articles de revues expérimentales [10,50–56] ont été publiés sur le sujet. Plusieurs étudiants se sont attaqués à la génération de SC dans le mid-IR pour leur maîtrise et/ou doctorat ici même au COPL [57–60] et ailleurs dans le monde [61–67]. Il sera remarqué par la revue de littérature que la génération de SC dans le mid-IR est un sujet très populaire puisque tous les meilleurs résultats viennent d’être établis dans les dernières années (2015-2019).

L’objectif de la revue de littérature n’est pas d’énumérer toutes les démonstrations de SC des dernières décennies, mais bien de mettre en contexte les approches utilisées dans le cadre de cette maîtrise. La revue de littérature va aussi se limiter principalement aux démonstrations de SC au-delà de 3 µm, soit le début de l’infrarouge moyen. Par conséquent, les SC dans les fibres de silice ne seront pas révisés. De surcroît, les résultats de SC provenant seulement de simulations numériques ne seront pas présentés, malgré que plusieurs articles soient fort intéressants [68–72].

La revue de littérature est divisée en trois sections. D’abord, étant donné que les caractéristiques du laser de pompage sont très limitantes pour la génération de SC, il est très avantageux de décrire l’état de l’art des lasers de pompage disponibles. La première section de la revue porte donc sur les lasers à l’état solide ainsi que les lasers à fibre optique mid-IR. Ensuite, la revue de littérature sur les SC mid-IR est présentée. Elle sera séparée en deux sous-sections selon le type de laser de pompage : le laser à l’état solide ou le laser à fibre. Enfin, pour ces deux familles de SC, elles sont davantage distinguées selon le choix du guide d’onde non-linéaire utilisé : les SC via des «bulks» / «rib waveguide», les SC via des SIF ou des HNASIF et les SC via un Taper et/ou un MOF. La revue de littérature se clôture avec une conclusion pointant les faits saillants et les résultats les plus remarquables en matière de génération de SC mid-IR.

1.2.1 Les lasers de pompage disponibles émettant dans le

mid-IR

Le laser a grandement évolué depuis sa découverte en 1960 [73], notamment par la poussée des applications industrielles, biomédicales, environnementales, en télécommunication et en défense et sécurité. Aujourd’hui, plusieurs chercheurs et compagnies se penchent sur le développement de sources mid-IR vu leur fort potentiel d’application. Toutefois, peu de sources impulsionnelles offrent les performances et les caractéristiques souhaitées pour pomper et générer efficacement des SC mid-IR. Tel que mentionné, les deux familles de laser mid-IR utilisés pour pomper un SC sont les lasers à l’état solide et les lasers à fibre optique. Les prochaines revues de littérature

viennent brièvement expliquer le contexte actuel de ces lasers mid-IR. Notons que les lasers à gaz (HeNe, HF, HBr, CO2, CO, etc.), les lasers à semi-conducteurs (QCL, ICL) et les lasers Raman ne sont pas couverts dans la revue étant donné leurs faibles performances optiques pour la génération de SC mid-IR.

1.2.1.1 Revue de littérature des lasers à état solide mid-IR

En tirant profit des paramètres non-linéaires des cristaux, les lasers paramétriques sont capables de produire des performances impulsionnelles inégalées dans le mid-IR au prix de leur complexité et leur fragilité (Figure 1.16). Ces lasers sont notamment utilisés en science fondamentale pour l’étude de l’interaction laser-matière, de l’optique quantique, de la génération d’harmonique et de la biophotonique.

D’exhaustives revues de littératures ont été effectuées sur l’état de l’art des lasers à l’état solide ainsi que sur leurs bases théoriques [74–78]. Ce faisant, le but de la prochaine revue est simplement de présenter les performances optiques typiques de ces lasers ainsi que les principaux types d’architecture qui peuvent être utilisés pour la génération de SC. Le Tableau 1.2 présente quelques résultats d’impact pour différents types de laser.

Figure 1.16 Photo d'un OPCPA délivrant des puissances crêtes de l'ordre du TW [79]. De ce tableau, on comprend que les lasers à l’état solide sont capables de générer des impulsions à n’importe quelle longueur d’onde dans le mid-IR et peuvent atteindre des durées de quelques cycles optiques (37 fs à 11.5 µm) avec plus de 1.5 TW de puissance crête. Ces systèmes exploitent l’approche appelée «Optical parametric chirp pulse

amplification (OPCPA)». Cette approche est une extension de l’amplification d’impulsions étirés («chirped pulse amplification (CPA)») démontrés en 1985 par Donna Strickland et Gérard Mourou [80] fut récemment l’objet du prix Nobel de physique en 2018.

Tableau 1.2 Revue de littérature des lasers à l’état solide émettant dans l'infrarouge moyen.

1.2.1.2 Revue de littérature des lasers à fibre mid-IR

Le laser à fibre a été proposé théoriquement pour la première fois en 1961 par Snitzer [99], tout juste après la découverte du Laser en 1960 par Maiman [73]. C’est Koester et Snitzer en 1964 qui ont démontré expérimentalement le premier laser à fibre optique [100]. Néanmoins, il a fallu plusieurs décennies pour réellement concrétiser le potentiel des lasers à fibre. Effectivement, l’avancée majeure pour les lasers à fibre a été le développement d’une fibre double-gaine dopée aux terres rares, découverte chez Polaroid Corporation. Ce concept, selon lequel une deuxième gaine dédiée à guider la pompe, a permis l'utilisation de diodes laser de haute puissance. Conséquemment, le premier laser à fibre basé sur une géométrie double-gaine a été démontré en 1989 [101].

Pour qu’un laser soit défini de laser à fibre optique, il faut que le milieu de gain soit issu d’une fibre optique. La Figure 1.17 présente le schéma typique d’un laser à fibre optique. Comme n’importe quel laser, le laser à fibre a besoin d’une cavité qui permet la recirculation du signal, d’un milieu de gain et d’une source de pompage.

Ref Type λp T0 P0 Frep Ep Pmoy

[Année] [-] [µm] [-] [-] [-] [-] [W] 2017 [81] OPG 5.8 -8.3 80 ps 2 kW 1 MHz 0.16 µJ 0.16 2017 [82] OPG 3.3–4.2 296 fs 11 kW 78 MHz 6.9 nJ 0.54 2015 [83] OPO/OPA 3.90 30 ps 19 MW 10 Hz 1.14 mJ 0.011 2016 [84] OPO/OPA 3.07 80 ns - 20 kHz - 66.7 2014 [85] OPCPA 3.40 44.2 fs 246 MW 50 kHz 21.7 µJ 1.09 2015 [86] OPCPA 4.00 24 fs 1.5 TW - 177.2 mJ - 2015 [87] OPCPA 11.5 37 fs 1.39 kW 100 MHz 1.03 nJ 0.103 2015 [88] OPCPA 3.90 80 fs - 20 Hz 30 mJ 0.6 2016 [89] OPCPA 2.10 33 fs 52 GW 1 kHz 1.7 mJ 1.7 2016 [90] OPCPA 7.00 180 fs 1.1 GW 100 Hz 550 µJ 0.055 2016 [91] OPCPA 3.10 55 fs 181 MW 160 kHz 20 µJ 3.2 2017 [92] OPCPA 3.25 97 fs 0.68 GW 160 kHz 131 µJ 21 2017 [92] OPCPA 3.25 14.5 fs 3.9 GW 160 kHz 60 µJ 9.6 2017 [93] OPCPA 3.10 38 fs 0.61 GW 100 kHz 40 µJ 4 2005 [94] Cr:ZnSe 2.45 125 ns 26 kW 7 kHz 2.64 mJ 18.5 2016 [95] Cr:ZnS 2.40 33 fs 1.35 MW 79 MHz 89 nJ 7.1 2011 [96] Fe:ZnS 3.95 50 ns 68 kW - 3.4 mJ - 2014 [97] Fe:ZnSe 4.60 125 ns - 20 Hz 30.6 mJ 0.6 2017 [98] Fe:ZnSe 4.50 300 ns - 20 Hz 1 J 20 2015 [75] Fe:ZnSe 4.00 5 ns 0.2 MW 1 kHz 1 mJ 1

Figure 1.17 Schéma d'un laser à fibre optique traditionnel. La figure provient de [102]. La cavité d’un laser à fibre optique repose généralement sur une paire de miroirs, malgré que l’on retrouve aussi d’autres types de cavités (par exemple, la cavité en anneau). Ultimement, il est souhaité que les miroirs soient inscrit directement dans le cœur de la fibre optique. On fait référence ici à la technologie des réseaux de Bragg, « Fiber Bragg Gratings (FBG) », qui permet une cavité linéaire telle que présentée à la Figure 1.17. Dans la littérature, l’architecture linéaire est dénommée de type « tout-fibre » ou plutôt de l’anglais « all-fiber ». Ce type de cavité est l’objectif ultime recherché par l’industrie puisqu’elle offre simplicité, robustesse et d’excellentes performances de sortie.

Or, pour l’infrarouge moyen, vu que l’inscription de FBG demeure une tâche difficile et nécessite des équipements spécialisés, spécialement pour les verres fluorés, on retrouve encore beaucoup de démonstrations laser reposant sur des cavités non tout-fibre.

Figure 1.18 Spectre de fluorescence des ions terres rares retrouvés dans les lasers à fibre optique infrarouge. La figure provient de [103].

Le gain des lasers à fibre provient de certaines transitions d’ions de terres rares. Les lasers à fibre les plus matures à ce jour sont composés typiquement des ions suivants dans les verres d’oxydes (Yb3+, Er3+, Ho3+ et Tm3+) et dans les verres fluorés (Er3+, Ho3+ et Dy3+). La Figure 1.18 montre les spectres de fluorescences de ces ions.

La source de pompage des lasers à fibre est pratiquement toujours une diode laser. Historiquement, l’une des contraintes majeures des lasers à fibre fut l’inaccessibilité des diodes laser à des longueurs d’onde précises. En effet, il faut pouvoir pomper la transition de l’ion désiré avec la bonne longueur d’onde pour maximiser l’efficacité laser et, par le fait même, atteindre les performances requises pour les applications. Il se trouve que les diodes laser émettant à 980 nm ont connu une croissance technologique inégalée due à l’opportunité de pomper les transitions des ions Er3+ (1550 nm et 2800 nm) ainsi que les ions Yb3+ (1060 nm). Elles sont maintenant produites en volume par plusieurs manufacturiers comme IPG Photonics, II-VI, BWT, etc.

L’état de l’art des lasers à fibre a été révisé par plusieurs auteurs dernièrement. Soulignons les articles de revue des lasers à fibre à base de silice [104–106] et à base de verre fluorés [51,107–109]. La revue de littérature de la présente section va se concentrer sur les lasers à fibres mid-IR pulsés puisqu’ils sont les candidats utilisés pour la génération de SC mid-IR. La revue est divisée en deux parties : les lasers fibrés mid-IR pulsés nanosecondes et microsecondes et les lasers fibrés mid-IR ultrarapides. Débutons par la revue de littérature des lasers fibrés mid-IR nanosecondes et microsecondes. Le Tableau 1.3 regroupe les meilleurs résultats obtenus au cours des dernières années pour des lasers à fibre pulsés mid-IR (1 ns < T0 < 1 ms) alors que la Figure 1.19 présente le schéma d’un laser déclenché («Q-switched laser») typique.

Figure 1.19 Schéma d'un laser Q-switched basé sur un absorbant saturable de type SESAM [110].