Dissertations / Theses on the topic 'Fibres optiques à cœur creux'

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT ainsi qu’à TAV et au LAC, visant la réalisation d’un gyromètre résonant passif en fibre optique à cœur creux atteignant des performances permettant la navigation inertielle. Nous y décrivons mathématiquement l’effet Sagnac, effet relativiste à la base des mesures optiques dans les gyromètres. Ensuite, nous exposons en détail les méthodes utilisées à ce jour pour mesurer des rotations avec des gyromètres passifs par les différentes équipes de recherches. Nous explicitons les limitations de ces méthodes, et en quoi la fibre optique à cœur creux semble être la solution la plus prometteuse pour pallier les défauts des gyromètres passifs résonants actuels. Une partie de cette thèse est alors consacrée à l’étude des propriétés physiques des fibres à cœur creux (Kagomé et bande interdite photonique), telles que leur atténuation, leur capacité à maintenir la polarisation, et leur rétrodiffusion. Nous présentons la première mesure de zone aveugle (plage de faibles vitesses de rotations non mesurables par un gyromètre) dans un gyromètre résonant passif en fibre à cœur creux. Un modèle mathématique est posé pour expliquer le lien entre cette zone aveugle et la rétrodiffusion au sein de la cavité résonante. Nous décrivons ensuite un protocole expérimental permettant de s’affranchir de cette limitation dans notre gyromètre. Nous détaillons enfin la mise en œuvre de ce protocole et caractérisons les performances ainsi atteintes par notre gyromètre
In this manuscript, we report the theoretical and experimental developments at TRT, TAV and LAC, aiming the realization of a hollow-core passive resonant fiber optical gyroscope that can achieve navigation grade performances. We mathematically describe the Sagnac effect, which is a relativistic effect used to optically probe mechanical rotations. Then, we detail the state of the art in passive resonant fiber optical gyroscope development. We identify their limitations, and explain why the hollow core fiber seems to be the best solution to cope with the actual limitations of such gyroscopes. We then focus on two different types of hollow core fibers: Kagome and photonic bandgap. We evaluate their performances in terms of transmission, polarization holding and backscattering. We describe the first measurement of a lock in region in a hollow core fiber passive optical gyroscope, i.e the range of rotation rates that cannot be measured because of backscattering. A mathematical model is propounded to link the lock in to the backscattering of the cavity. We then discuss the experimental protocol that we implemented to circumvent this limitation. Finally, we characterize the performances of our gyroscope based on these features

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Ce travail présente le développement d’un outil numérique basé sur la méthode des éléments finis pour étudier et optimiser les performances des fibres creuses à cristal photonique (HCPCF). Divers mécanismes de perte dans ces fibres ont alors pu être analysés. En premier lieu, par une compréhension fine de l’influence des paramètres géométriques sur les pertes et par une approche basée sur une décomposition de Fourier azimutale, plusieurs structures innovantes de fibres creuses ont été proposées permettant d’aller au-delà de l’état de l’art actuel. En particulier, une fibre creuse à maille hybride guidant par couplage inhibé (CI) a été conçue puis fabriquée associant pour la première fois faible perte de confinement et guidage unimodal. Puis, les sources de pertes induites par la rugosité de surface au sein de ces fibres creuses ont été intégrées aux études en développant une approche numérique transverse à 2D et par des équations de tendance. Les calculs ont alors confirmé l’impact d’un nouveau procédé de fabrication par cisaillement mis en place durant l’étape de fabrication permettant de réduire d’un facteur trois l’amplitude du profil de surface des membranes silice. Ce résultat s’est traduit par la démonstration de pertes records des HCPCF-CI aux domaines des courtes longueurs d’onde du visible (< 1 dB/km) et de l’ultraviolet (< 50 dB/km) trouvées en bon accord avec les simulations. En parallèle, un second procédé nommé opto-thermique a débuté permettant pour la première fois d’obtenir un profil de rugosité non stochastique, résultat qui constitue une perspective forte de mes travaux. Enfin, des développements pour étendre ces analyses à l’axe de propagation (simulations 2D+1 puis 3D) ont débuté. En conclusion, l’ensemble de ces travaux a permis de contribuer à réaliser une nouvelle génération de fibres creuses qui à terme pourrait répondre aux défis aussi bien des domaines peu accessibles comme l’ultraviolet que des applications à fort impact sociétal telles que les télécommunications optiques de demain
This work presents the development of a numerical tool based on finite element method to study and optimize the performances of photonic crystal hollow-core fibers (HCPCF). Various loss mechanisms in these fibers were analyzed. Firstly, through a detailed understanding of the influence of geometric parameters on losses and by an approach based on an azimuthal Fourier decomposition, several innovative hollow-core fiber designs have been proposed making it possible to go beyond the current state-of-the-art. In particular, a hybrid hollow-core fiber guiding by inhibited coupling (IC) was designed and then manufactured, combining for the first time ultra-low confinement loss and singlemode guidance. Then, the sources of losses induced by surface roughness within these hollow-core fibers were integrated into the studies by developing a transverse 2D numerical approach and scaling formula. The calculations then confirmed the impact of a new shear process implemented during the fabrication, making it possible to reduce the amplitude of the surface profile of the silica membranes by a factor of three. This results in the demonstration of record losses of HCPCF-CI in the short wavelengths of the visible (< 1 dB/km) and the ultraviolet (< 50 dB/km) found in good agreement with simulations. In parallel, a second process called opto-thermal began, making it possible for the first time to obtain a non-stochastic roughness profile, a result which constitutes a strong perspective of my work. Finally, developments to extend these analyzes to the propagation axis (2D+1 and 3D simulations) have begun. To conclude, all of this work has contributed to the realization of a new generation of hollow-core fibers which could ultimately meet the challenges of both the still inaccessible ultraviolet domain and applications with a strong societal impact such as the optical telecommunications of tomorrow

Depuis leur avènement, les fibres à cristal photonique à cœur creux ont prouvé leur capacité à convertir des fréquences avec une haute efficacité, notamment en jouant sur le phénomène de diffusion Raman stimulée. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société GLOphotonics et l’institut de recherche Xlim, ce projet de thèse a consisté à développer ces fibres afin d’améliorer leurs performances optiques pour cibler deux voies d’applications: une industrielle pour proposer un laser compact multi-ligne dans le visible et dans l’UV et une seconde plus fondamentale pour réaliser un synthétiseur d’onde optique. L’amélioration de ces performances repose sur l’exacerbation de l’inhibition du couplage entre le mode du coeur d’air et les modes de silice de la gaine. Pour cela deux types de micro-structures ont été explorées à savoir une maille Kagomé et une maille tubulaire. Plusieurs fibres ont été alors fabriquées démontrant des performances records sur toute une gamme de longueurs d’onde (8,5 dB/km à 1 µm, 7,7 dB/km à 750 nm, 13,8 dB/ km à 549 nm, et autour de 70 dB/km à 355 nm). Concernant la fonctionnalisation de ces fibres, des micro-capsules photoniques ont été conçues et réalisées permettant à la fois de palier au problème de la perméabilité de la silice au gaz (stabilité de la conversion dépassant 12 mois) et de démontrer une conversion de 26 lignes dans le visible. Un produit industriel nommé CombLas a alors été produit puis appliqué à une étude de cytométrie en flux pour étudier l’influence du taux de répétition du laser de pompe. Ce produit a également été étendu à la gamme spectrale de l’UV avec la génération de 24 lignes entre 225-400 nm. Enfin, des travaux plus fondamentaux ont été réalisés consistant à développer un synthétiseur d’onde optique à base de génération Raman dans ces fibres creuses. Une nouvelle dynamique a été observée démontrant le piégeage de molécules d’hydrogène par un réseau optique auto-assemblé de puits de potentiel ultra-profonds et nanométriques. Cela permis de générer un régime Lamb-Dicke de la diffusion Raman stimulée. Des signatures sub-Doppler usuellement vues dans les atomes froids ont été mesurées avec des largeurs de bandes plus étroites de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport à ce qui est prédit dans la littérature. Finalement, cette largeur de bande a été optimisée d’un ordre de grandeur en jouant sur la longueur de la fibre et la pression de l’hydrogène
Since their advent, hollow-core photonic crystal fibers have proved to be highly efficient for frequency conversion, especially via by playing with stimulated Raman scattering. Within the frame work of a CIFRE contract between the firm GLOphotonics and the Xlim research institute, this thesis project has consisted in developing these fibers to enhance their optical performances, in order to target two different field of applications: an industrial one to offer a a compact multi-line laser in the visible and UV and a second more fundamental one to realize a optical wave synthesizer. The amelioration of these performances relies on the exacerbation of the inhibition of the coupling between the air core mode and the silica cladding modes. Two types of micro-structures have been explored, a Kagomé and a tubular lattice. Several fibers have been fabricated demonstrating record performances on all a wavelength range (8.5 dB/km at 1 µm, 7.7 dB/km at 750 nm, 13.8 dB/km at 549 nm, and around 70 dB/km at 355 nm). Concerning the functionalization of the fibers, photonic micro-cells have been designed and realized enabling to overcome the problem the permeability of silica to gas (conversion stability over 12 months) and demonstrate a conversion to 26 lines in the visible. An industrial product coined CombLas has been made and used for flow cytometry in order to study the influence of the repetition rate of the pump laser. This product has also been extended to the UV range with 24 lines generated between 225-400 nm. Also, more fundamental research has been realized consisting in developing an optical wave synthesizer based on Raman generation in hollow core fibres where a new dynamic has been observed demonstrating the trapping of hydrogen molecules by an auto-assembled optical lattice of ultra-deep and nano-metric potential wells. This configuration has enabled to generate a Lamb-Dicke regime of stimulated Raman scattering. Sub-Doppler signatures usually found in cold atoms have been measured with linewidths narrower than 5 orders of magnitude than what is predicted in the literature. Finally, this linewidth has been optmised of an order of magnitude by plaing on the length of the fiber and the pressure of hydrogen

L’implantation de cristaux photoniques dans les fibres optiques a permis de repousser les seuils d’apparition des phénomènes physiques limitant le transport et la génération de forte puissance. La taille du cœur et l’aire effective du mode fondamental sont fortement augmentées tout en conservant une émission monomode. Les fibres à cristal photonique étudiées ici sont définies par une gaine périodique unidimensionnelle autorisant un guidage de la lumière par effet de bande interdite photonique. Leur potentiel est révélé au travers de l’étude de leurs propriétés linéaires. La conception, la fabrication et la caractérisation de fibres présentant des aires effectives élevées - relativement au carré de la longueur d’onde - sont présentées. La réduction drastique des pertes de confinement et de la sensibilité aux courbures est montrée. La possibilité de les intégrer comme composant passif dans une source laser « tout fibré » est abordée au travers d’un exemple de gestion de la dispersion
The insertion of photonic crystal in optical fibres made it possible to increase the thresholds of physical phenomena limiting the delivery and the generation of high power. The core size and the effective area (Aeff) of the fundamental mode are drastically increased while preserving a singlemode emission. The photonic crystal fibres studied here are defined by a one-dimensional periodic cladding allowing the light to be guided by the so-called photonic bandgap effect. Their potential is revealed through the study of their linear properties. Results about the design, fabrication and characterisation of fibres exhibiting large Aeff relative to the wavelength are reported. The drastic reduction of confinement loss and bending sensitivity is shown. The possibility of integrating such a fibre as a passive element in an “all fibre” laser source is also shown through an example of dispersion management

L’utilisation de fibres optiques pour mesurer des d´eformations se vulgarise en raison de ses nombreux avantages comparé aux autres technologies de capteurs. Aujourd’hui des jauges de déformations basées sur l’emploi de fibre optique sont disponibles commercialement. Cependant leur utilisation qui semble simple au premier abord peut s’avérer complexe lorsque cette fibre est encapsulée dans un matériau ayant des paramètres mécaniques très éloignés de la silice. L’objectif de ces travaux est d’approfondir la réflexion sur l’utilisation de capteurs de déformations à base de fibres optiques pour obtenir des mesures quantifiables et/ou pertinentes au coeur des matériaux composites. Dans un premier temps nous dressons un état de l’art des différents types de capteurs à fibres optiques en focalisant plus particulièrement notre attention sur leurs usages dans les matériaux composites. La seconde partie de ces travaux est consacrée aux fibres optiques incluses dans différents matériaux homogènes. Des modèles analytiques et numériques sont confrontés à des études expérimentales afin de quantifier les éventuelles erreurs de mesures commises lorsque le capteur est noyé dans un matériau. Une méthode est alors proposée afin d’obtenir simultanément la déformation longitudinale et radiale à l’aide d’un seul capteur à fibre optique. Enfin, les concepts expos´es dans la seconde partie sont validés dans l’étude d’une éprouvette bi-composants instrumentée. Puis nous explorons l’utilisation d’un tel capteur dans une structure composite stratifiée dans une configuration différente de celle proposée dans la littérature : le capteur est inséré à travers les plis stratifiés
The use of optical fibers for strain measurements tends to generalize because of its numerous advantages over other sensor technologies. Today strain gauges based on the use of optical fiber are easy and commercially available. However, this can become complex when the fiber is embedded into a material displaying very different mechanical properties from the properties of the silica. The main purpose of this work is to further question the use of fiber optic strain sensors to obtain quantifiable and/or relevant measures inside composite materials. Firstly we present a state of the art of different types of fiber optic sensors by focusing our attention on their use in composite materials. The second part of this work is devoted to optical fibers included in different homogeneous materials. Analytical and numerical models are compared to experimental studies in order to quantify measurement errors eventually made when the sensor is embedded into a material. Then a method is proposed in order to obtain both the longitudinal and the radial strain with only one optical fiber sensor. Finally, the concepts presented in the second part are validated through the study of a specimen made of two materials crossing the sensor’s location. Furthermore we evaluate the use of this sensor in a laminated composite structure under a different configuration than that proposed in the literature : the sensor is inserted across the thickness of the laminate

D'abord, nous présentons les principes physiques nous permettant de modéliser et comprendre le phénomène de propagation linéaire des impulsions lumineuses dans un milieu homogène, dans les guides d'ondes planaires et enfin dans les fibres optiques microstructurées. Ensuite, nous faisons une analyse mathématique rigoureuse des équations linéaires de propagation et posons le problème comme celui de la recherche de valeurs propres d'opérateurs auto-adjoints dans un espace de Hilbert. On verra que ces résultats théoriques s'appliquent aux équations simulées dans le logiciel Comsol Multiphysics. Enfin, nous recensons et proposons différentes façons de prédire les valeurs de dispersion chromatique et d'atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu en utilisant les notions et équations discutés dans les deux premiers chapitres. Le choix de la géométrie, du matériau et de la longueur d'onde de la lumière transmise sont parmi les variables étudiées numériquement. Nous ferons également un exemple détaillé d'utilisation du logiciel Comsol Multiphysics pour construire un modèle de fibre optique microstructurée.

Les applications telles que la détection de polluant où les contre-mesures optroniques nécessitent aujourd’hui des sources émettant dans la bande II de l’infrarouge (2,5- 5μm). Actuellement cette fenêtre spectrale ne dispose pas de source à la fois compacte, robuste et possédant une bonne qualité de faisceau. Afin de répondre à cette demande, la conversion d’une source classique vers les grandes longueurs d’onde par diffusion Raman stimulée dans une fibre à coeur creux est étudiée. Une première architecture utilisant une fibre à bande interdite photonique étirée est étudiée. La réalisation démontre la possibilité de cascader cinq ordres Raman tous en conservant une émission monomode transverse. Ce sont ensuite les fibres à large périodicité permettant de guider la lumière sur plusieurs octaves qui sont étudiées. Les premières fabrications ouvrent des potentialités pour la diffusion Raman utilisant des gaz à fort décalage
Applications such as pollution control or countermeasures have a need in mid infrared sources (2. 5-5μm). Nowadays, compact, robust sources with a good beam quality are not available in this spectral range. To overcome this limitation, we study the conversion of usual sources by stimulated Raman scattering in hollow-core fibre. A proposal uses a hydrogen-filled tapered hollow-core photonic bandgap fibre as a wavelength converter. First results demonstrate the ability to convert the pump toward fifth Stokes order with a monomode beam profile. Then, large pitch hollow-core fibre allowing air-guiding over a broad spectral range are studied. Characterisation of the fabricated fibres paves the way to stimulated Raman scattering with large shift gases

Cette thèse participe au projet ANR Fenoptic qui vise à exploiter les propriétés plasmoniques de nanoparticules métalliques incorporées dans des fibres optiques de spécialité. Actuellement, afin de limiter l’atténuation du signal à longue distance, celui-ci est ré-amplifié à intervalles réguliers par émission stimulée d’ions terres rares dispersés dans le cœur des fibres. L’objectif de ce travail de thèse est d’améliorer l’efficacité de l’amplification du signal en exaltant l’émission des ions luminescents grâce à un couplage efficace avec le cœur métallique. Des nanostructures multicouches originales consistant en une nanoparticule d’or enrobée de couronnes de silice pures ou dopées par des ions lanthanides ont été développées par chimie douce. La forme et la taille des cœurs d’or, ainsi que l’épaisseur et le taux de dopage des couronnes de diélectrique ont été finement contrôlés en solution, et des suspensions stables ont été obtenues. Des références optiques ont également été mises au point par dissolution du cœur métallique. Ces nanostructures sont insérées dans des matrices de silice sol-gel de qualité optique et caractérisées par spectroscopie d’émission et déclin de luminescence. Une forte extinction de la luminescence de l’europium (III) est observée à une distance de 2 nm de nanosphères d’or. Cette extinction diminue légèrement à mesure que la distance de couplage augmente, mais persiste jusqu’à 28 nm au moins. La possibilité d’incorporer ces nanostructures dans des cœurs silice de fibres optiques a été évaluée pour un procédé haute température détenu par Draka. Des essais préliminaires selon un procédé semi-industriel par voie sol-gel ont également été initiés
This work is part of the Fenoptic ANR project, which aims at taking advantage of the plasmonic properties of metallic nanoparticles incorporated into optical fibers. Optical signals attenuation occurring for long distances propagation is usually overcome by re-amplification. Optical amplification is based on rare earth ions stimulated emission. This work aims at improving the amplification process in optical fibers by efficiently coupling lanthanide ions with metallic nanoparticles to enhance their luminescence properties. Original multilayer nanostructures made of a gold core coated with sol-gel silica shells, either pure or doped with lanthanide ions, were specifically designed by soft chemistry. The size and shape of the gold nanoparticles, along with the thickness and doping rate of the silica shells, were finely controlled. Stable core-shell suspensions were thus obtained. Optical reference nanostructures were also prepared by gold core dissolution. These nanostructures are then incorporated into sol-gel silica matrices with high optical quality to study their photoluminescence intensities and lifetime decay profiles. Strong europium (III) luminescence quenching is observed for a 2 nm spacer between the gold nanospheres and the lanthanide ions. This extinction slightly decreases as the coupling distance increases, but still occurs for a 28 nm buffer layer thickness. Incorporation of the nanostructures into optical fibers silica cores was evaluated for a high-temperature process patented by Draka. Some preliminary trials were also conducted on a semi-industrial sol-gel process

La génération de micro-plasmas microondes par excitation non intrusive au sein de fibres à cristal photonique (HC-PCF), a permis l’émergence d’une nouvelle plateforme émettant dans la gamme ultraviolette. Basé sur la génération d’onde de surface, les colonnes de plasmas observées sont de l’ordre 50 mm confinées à une échelle micrométrique. Ces travaux sont les prémices de nouvelles sources ultraviolettes à base de fibres creuses à cœur de plasma. Un travail d’élargissement du cœur des fibres à couplage inhibé a permis la conception de fibres avec des cœurs supérieurs à 200 μm ce qui est une première aujourd’hui. Le plasma est le seul état de la matière qui permet une émission directe dans l’UV, par un mélange de gaz ternaire d’argon, d’oxygène et d’azote judicieux, l’émission s’étend jusqu’à 200 nm. Ces deux démonstrations sont à l’origine de la réalisation d’une source plasma ultraviolette accordable avec plus de 20 raies allant de 450 nm à 200 nm. Présentant des puissances optiques de sorties de plus de 1 μW à 314 nm et 337 nm. Une dernière étude expérimentale sur l’utilisation du plasma comme milieu amplificateur optique ouvre la voie à la réalisation dans un avenir proche de sources lasers ultraviolettes portables
The generation of microwave micro-plasmas by non-intrusive excitation inside hollow-core photonic crystal fibers (HC-PCF), allowed the emergence of a new platform emitting in the ultraviolet range. Based on the surface wave generation, the observed plasma columns are of 50 mm confined to a micrometric scale. Despite a plasma temperature close to the transforming the microstructured silicat this one is not affected, preserved by a particular plasma dynamics. This work includes a study on the development of inhibited coupling fiber with an expended core (i.e., core diameter> 200 μm) with short wavelength transmission bands. These transmission bands make itpossible to guide the plasma fluorescence in the ultraviolet optimized by ternary gas mixture of argon, oxygen and nitrogen. These two demonstrations are at the origin of the realization of a tunable ultraviolet plasma source with more than 20 lines ranging from 450 nm to 200 nm. With optical outputs of more than 1 μW at 314 nm and 337 nm. A final experimental study on the possibility to use the plasma as an optical amplifier medium opens the way for the realization in the near future of portable ultraviolet laser sources

Cette thèse participe au projet ANR Fenoptic qui vise à exploiter les propriétés plasmoniques de nanoparticules métalliques incorporées dans des fibres optiques de spécialité. Actuellement, afin de limiter l'atténuation du signal à longue distance, celui-ci est ré-amplifié à intervalles réguliers par émission stimulée d'ions lanthanides dispersés dans le cœur des fibres. L'objectif de ce travail de thèse est d'améliorer l'efficacité de l'amplification du signal en exaltant l'émission des ions luminescents grâce à un couplage efficace avec le cœur métallique. Des nanostructures multicouches originales consistant en une nanoparticule d'or enrobée de couronnes de silice pures ou dopées par des ions lanthanides ont été développées par chimie douce. La forme et la taille des cœurs d'or, ainsi que l'épaisseur et le taux de dopage des couronnes de silice ont été finement contrôlés en solution, et des suspensions stables ont été obtenues. Des références optiques ont de plus été mises au point par dissolution du cœur d'or. Ces nanostructures sont insérées dans des matrices de silice sol-gel de qualité optique et caractérisées par spectroscopie d'émission et déclin de luminescence. Une forte extinction de la luminescence de l'europium (III) est observée à une distance de 2 nm de nanosphères d'or. Cette extinction diminue légèrement à mesure que la distance de couplage augmente, mais persiste jusqu'à 28 nm au moins. La possibilité d'incorporer ces nanostructures dans des cœurs silice de fibres optiques a été évaluée pour un procédé haute température détenu par Draka. Des essais préliminaires selon un procédé semi-industriel par voie sol-gel ont également été initiés.

La majeure partie des fibres optiques utilisées dans les domaines des sources optiques et des capteurs sont dites 'fonctionnalisées', c'est à dire qu'elles possèdent des propriétés nouvelles, de par leur nature et/ou leur structure, par rapport aux fibres standards. Pour ce faire, nous allons exploiter la technologie 'Poudre' pour la réalisation de fibres optiques utilisant les propriétés de matrices vitreuses originales développées lors de cette thèse. Trois familles de fibres seront étudier afin de démontrer le fort potentiel de cette association, matériaux – technologie. La première exploitera la structuration de la gaine optique à l'aide de deux barreaux de verre vitreux (type Panda), dopés ou non à l'aide d'oxyde de cuivre. L'étude de cette fibre sera faite depuis la synthèse du matériau jusqu'au test de cette fibre en tant que capteur. La seconde fibre nous amènera à concevoir un verre optique inédit à ce jour, à définir la composition optimale et la décliner sous forme d'une fibre optique incluant ce verre pour le cœur. Enfin le procédé de fabrication de fibres optiques sera utilisé pour réaliser de premières fibres optiques à cœur vitrocéramique, c'est à dire partant d'une matrice vitreuse spécialement développée pour cette application arriver à faire croitre les nanostructures dans le cœur de la fibre et obtenir ainsi une famille de fibre inédite
The main part of optical fibers used in the fields of optical sources and sensors are called 'functionalised', i.e. they have new properties, due to their nature and/or structure, compared to standard fibers. To do this, we will use 'Powder' technology for the realization of optical fiber using properties of original vitreous glasses developed during this thesis. Three families of optical fibers will be studied in order to demonstrate the great potential of this association, materials - technology. The first exploit the structuring of the cladding with two vitreous glass rods (Panda type) doped or not with copper oxide. The study of this fiber is done from the synthesis of the material up to the test of this fiber as a sensor. The second fiber leads us to design a novel optical glass matrix, to define the optimal composition and decline form of an optical fiber including the glass for the core. Finally, the optical fiber manufacturing process is used to produce optical fiber with glass-ceramic core, i.e. starting from a vitreous matrix specially developed for this application happen to grow the nano-structures in the core of the fiber and obtain a novel fiber family

Les lasers de durées ultra-courtes, de l’ordre de la centaine de femtoseconde, sont actuellement des outils incontournables pour bon nombres d’applications industrielles ou académiques. Cependant leurs durées restent limitées par la technologie même de ces dispositifs. Par ailleurs, le développement de nouvelles fibres optiques microstructurées offre un guidage d’impulsions de hautes énergies dans des milieux gazeux permettant de ce fait la génération d’effets non-linéaires moteurs aux dynamiques de compression et de post-compression. Les travaux de cette thèse s’inscrivent donc dans ce contexte. Les études de dynamiques de compression d’impulsions ultra-courtes sont ainsi présentées. Les démonstrations d’auto-compression et de post-compression ont été faites à des longueur d’ondes de 343 nm et 1030 nm pour des régimes d’énergies allant de quelques microjoules à plusieurs centaines de microjoules pour des puissances moyennes jusqu’à 100 W. Des compressions de facteur 29 sont présentées faisant passer des impulsions de 580 fs à 19 fs via une dynamique de compression solitonique. De plus, cette technologie s’est vu intégrée dans une plateforme industrielle installée chez différents clients
Ultra-short pulse laser, hundred femtoseconds, are currently an essential tool for many industrial or academic applications. However, their duration remains limited by the technology which composed this device itself. In addition, development of new microstructured optical fibers offers high-energy pulse guidance in gaseous media, thus allowing the generation of non-linear effects, key parameter for pulse compression and post-compression dynamics. The work of this thesis is therefore part of this context. Studies of ultra-short pulse compression dynamics are presented. Self-compression and post-compression are demonstrated at wavelengths ranging from 343 nm to 1030 nm with energy from few microJoules to several hundred microJoules and average power up to 100 W. Factor 29 of compressions are presented, with solitonic dynamic pulse with duration of 580 fs are compressed down to 19 fs. In addition, this technology has been integrated into an industrial platform installed at various customers' sites

Les lasers à fibre de haute puissance constituent depuis une dizaine d’année un outil pertinent pour un nombre croissant d’applications. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société Eolite Systems et le laboratoire Xlim (UMR 7252 du CNRS et de l’Université de Limoges), mon projet de thèse a consisté à développer les briques technologiques de futures sources lasers
High-power fiber lasers adress an increasing number of applications since ten years. In the frame of a CIFRE contract between the company Eolite Systems and Xlim (joint laboratory between CNRS and the University of Limoges), the goal of this PhD project was to develop the technological blocs to achieve all-fibre high-power lasers emiting out of the conventional spectral band covered by existing lasers.Modal instabilities in large mode area (LMA) fibers are currently the main limitation of the fiber lasers power scaling. We have experimentally demonstrated the relevance of inner cladding aperiodic structures to efficiently delocalize higher order modes outside the gain region. A systematic study of passive fibers based on such structures has shown the single propagation of the fundamental mode over a wide wavelength range from 1 to 2 µm for dimension of core up to 85 µm. This effective mode delocalization even extends up to a core dimension of 140 µm at a 2 µm wavelength.The combination of high power picosecond fiber laser with an average power of 22.7 W and a hydrogen-filled inhibited coupling Kagome fiber allowed us to generate two Raman combs over five frequency octaves from 321 nm to 12.5 µm. These two combs are controlled by the laser pump polarization and generated an average power of 10.1 W displayed over 70 laser lines for circular pump polarization and 8.6 W over 30 lines for linear polarization. Some laser lines within these combs have been generated for the first time from high-power fiber source in the mid-infrared range. We have also demonstrated the generation of high-power line by optimizing the first vibrational Stokes at 1.8 µm with an average power of 9.3 W and a quantum efficiency of the frequency conversion stage close to 80%

La recherche du meilleur compromis performance –coût dans la conception puis l'exploitation des structures en matériau composite est un enjeu industriel majeur. Il nécessite le développement de méthodologies permettant l'analyse du matériau au sein même de la structure. Pour répondre à cet objectif, les travaux de cette thèse mettent à profit la capacité des composites d'être instrumentés à cœur. Cette opportunité est exploitée sur des éprouvettes dites technologiques, c'est-à-dire représentatives de singularités conceptuelles. Les capteurs fibre optique à réseau de Bragg (RB) ont été choisis pour contribuer à l'analyse du matériau (Hexply M21 T700 GC) au sein de la structure sur toute sa plage de vie. Une partie des travaux porte sur l'aspect technologique du capteur RB, son intégration dans les composites, sa tenue aux conditions sévères d'élaboration et l'analyse de l'information qu'il délivre lorsqu'il est placé au cœur du matériau. La première analyse concerne le suivi de fabrication des éprouvettes en autoclave. Les RB nous renseignent sur l'évolution continuée des déformations résiduelles de cuisson au sein du matériau. Ils permettent ensuite une analyse thermoélastique des structures polymérisées. Enfin, les éprouvettes technologiques instrumentées sont soumises à divers essais de flexion. Ceux-ci sont accompagnés de mesures de champs par stéréo corrélation d'images numériques afin d'acquérir une information globale en surface. Un dialogue essai-calcul est établi. L'ensemble de ces études contribue à l'identification des propriétés du matériau et leurs variabilités, en soulignant l'importance de la connaissance de l'état initial et des effets de structure.