Academic literature 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