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RÉSUMÉ
Les sources paramétriques à base de fibres creuses sont des dispositifs utilisant le mélange à quatre ondes pour générer des rayonnements accordables en longueur d’onde et/ou à spectre très large bande. Le principe général est de combiner les propriétés recherchées de deux impulsions lasers distinctes dans une fibre remplie de gaz pour amplifier un signal et former une impulsion ciblée. Le processus non linéaire mis en jeu est le mélange à quatre ondes dans lequel le type de gaz, sa pression et les propriétés des ondes incidentes jouent des rôles clefs pour l’efficacité optimale de la conversion. Cet article présente les concepts fondamentaux du processus paramétrique dans les gaz et les fibres creuses utiles pour ces sources.
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Parametric sources with hollow core crystal fibers are based on the four-wave mixing process to generate tunable light radiation with a broad spectrum. The general principle relies on the combination of interesting properties of two laser pulses in a gas filled hollow core fiber to amplify a signal and generate a new pulse. The nonlinear involved process is the Four Wave Mixing in which the type of gas, pressure and properties of injected pulses play key roles for the conversion efficiency. This manuscript presents fundamental concepts of the parametric process in gases and hollow core fibers required for these sources.
Auteur(s)
-
Damien BIGOURD : Chercheur - CNRS, Laboratoire IMS-Bordeaux, France
-
Coralie FOURCADE-DUTIN : Chercheuse - Université de Bordeaux, Laboratoire IMS, France
INTRODUCTION
L'amplification paramétrique dans les fibres (Fiber Optical Parametric Amplification – FOPA) à cœur solide à base de silice [RE 167] a été largement étudiée dans le contexte des télécommunications pour ses caractéristiques intéressantes telles qu'un gain à large bande spectrale, un faible bruit et un gain très élevé. Le principe est basé sur un processus de mélange à quatre ondes (Four Wave Mixing-FWM) avec une relation de phase adaptée. Les quatre ondes sont : une ou deux ondes de pompe à forte puissance, un faible signal et une onde complémentaire (encore appelée idler) générée pendant l’interaction non linéaire dans la fibre. Depuis peu, des efforts considérables sont également déployés pour développer des sources à spectres accordables ou à impulsions optiques ultra-courtes en tirant profit des performances de l’amplification paramétrique. Cette application majeure nécessite cependant de gérer les puissances crêtes pour éviter les dommages, notamment de la fibre, et les effets non linéaires non souhaités. Cette gestion des effets s'effectue en général en adaptant la durée des impulsions incidentes grâce à une dérive de phase. De plus, l’utilisation de fibres adaptées permet d’augmenter l’énergie transmise et donc d’accéder à une puissance élevée après compression de l’impulsion. Une excellente approche est donc de réaliser l’amplification paramétrique optique avec des fibres dont le seuil de dommage est bien supérieur à celui des fibres solides. Les fibres creuses sont donc des candidates très intéressantes puisqu’elles ont déjà démontré leur capacité à guider des impulsions ultra-courtes.
Dans la suite de l’article, nous présentons le contexte (§ 1), les propriétés générales des fibres creuses nécessaires à la réalisation d’un mélange à quatre ondes (§ 2). Le processus paramétrique optique est ensuite décrit en détail (§ 3) en introduisant les effets non linéaires qui peuvent s’ajouter à ce processus (§ 4). Des considérations pratiques sont également exposées (§ 4).
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.
Points clés
Domaine : optique et photonique
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : laser, fibre à cristaux photoniques à cœur creux
Domaines d’application : source photonique, spectroscopie résolue en temps, usinage laser
Principaux acteurs français :
-
Pôles de compétitivité : Pôle Alpha RLH
-
Centres de compétence : GdR Elios, GdR UP, Société Française d’Optique
-
Laboratoire de recherche : XLIM (Limoges), Phlam (Lille), Institut de Physique de Nice…
Industriels producteurs de fibres : Photonics-Bretagne/Perfos, GLOphotonics…
Autres acteurs dans le monde : Optoelectronic Research Centre in Southampton, Centre for Photonics and Photonic Material in Bath, Max Planck Institute for the science of Light in Erlangen, University of Warsaw, NKT Photonics
Contact : [email protected] ; [email protected]
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KEYWORDS
parametric process | four wave mixing | hollow core fiber
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Autres effets non linéaires
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3. Processus paramétrique optique
3.1 Accord de phase et gain paramétrique
Dans cette partie, une description mathématique du mélange à quatre ondes est présentée afin de fournir une compréhension significative du processus paramétrique. L'origine du processus est un mélange à quatre ondes FWM efficace impliquant deux ondes de pompe P, une onde signal S et une onde complémentaire C aux fréquences angulaires ω P, ω S et ω C, respectivement , les longueurs d’onde correspondantes sont λ P, λ S et λ C. Dans la description suivante, on ne considère que le mélange à quatre ondes en régime dégénéré dans lequel les deux ondes de la pompe sont identiques. La conservation de l'énergie des photons s'écrit comme suit :
ou
( 19 )
Le diagramme du niveau d’énergie illustre également bien l’équation de la conservation de l’énergie (figure 4). L’équation (19) signifie également que les ondes signal et complémentaire...
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Processus paramétrique optique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FOURCADE-DUTIN (C.), VANVINCQ (O.), MUSSOT (A.), HUGONNOT (E.), BIGOURD (D.) - Ultra-broad band fiber optical parametric amplifiers pumped by chirped pulses. Part 2 : sub-30 fs pulse amplification at high gain. - Journal of Optical Society America B, vol. 32, p. 1488 (2015).
-
(2) - MORIN (P.), DUBERTRAND (J.), BEAURE d’AUGÈRES (P.), QUIQUEMPOIS (Y.), BOUWMANS (G.), MUSSOT (A.), HUGONNOT (E.) - µJ-level Raman-assisted fiber optical parametric chirped-pulse amplification. - Optics Letters, vol. 43, p. 4683 (2018).
-
(3) - BIGOURD (D.), d’AUGÈRÈS (P.B.), DUBERTRAND (J.), HUGONNOT (E.), MUSSOT (A.) - Ultra-broadband fiber optical parametric amplifier pumped by chirped pulses. - Optics Letters, vol. 39, p. 3782 (2014).
-
(4) - DEBORD (B.), ALHARBI (M.), VINCETTI (L.), HUSAKOU (A.), FOURCADE-DUTIN (C.), HOENNINGER (C.), MOTTAY (E.), GÉRÔME (F.), BENABID (F.) - Multi-meter fiber-delivery and pulse self-compression of 6 milli-Joule femtosecond laser and fiber-aided laser-micromachining. - Optics Express, vol. 22, p. 10735 (2014).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Fiberdesk
vChirp
https://novantaphotonics.com/vchirp-software-demo/
ToptiCalc
https://www.toptica.com/products/optical-isolators-photonicals/topticalc
Comsol
Commod Pro
https://www.oxalis-laser.com/commodpro.php
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Photonics-Bretagne/Perfos
https://www.photonics-bretagne.com/fr/plateforme-technologique/produits-perfos/fibres/
GLOphotonics
NKT Photonics
...
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