Soutenance de thse de Florent Doutre le 5

Soutenance de thèse de Florent Doutre le 5 novembre 2010 Sources d'impulsions brèves basées sur des procédés de découpe non linéaires au sein d'une fibre optique ; nouvelles sources déclenchées à cavités couplées Membres du jury : Patrick Georges Alain Jalocha François Sanchez Vincent Couderc Michèle Lalande Dominique Pagnoux Ammar Hideur 1

Diagnostic cellulaire par cytométrie en flux Objectif : Dépistage précoce de maladies infectieuses Principe : • Cellules en suspension liquide • Défilement devant un faisceau laser • Mesures des signaux lumineux Intérêt : • Rapidité (plusieurs k. Hz) • Analyse cellule par cellule • Rapport signal sur bruit élevé (potentiellement jusqu'à ≈104) 2

Diagnostic cellulaire par cytométrie en flux Paramètres accessibles : • • • La taille (détecteur 1) La complexité de la structure interne (détecteur 2) La présence de molécules fluorescentes (détecteur 3) Polynucléaires neutrophiles ◄ Détecteurs 1 & 2 → cartographie des types cellulaires Fluorochrome Monocytes Lymphocytes ►Détecteurs 3 → présence d'un antigène spécifique Anticorps Cellule marquée 3

La fluorescence en cytométrie Rappel sur la fluorescence : • • 1, 8 -ANS Excitation à une longueur d'onde λ 1 Émission une longueur d'onde λ 2 Alexa Fluor 488 Niveaux excités λ 1 Niveau fondamental 5 -ROX λ 2 TOTO-3 Sauf cas particulier : Une source par λ d'excitation Alexa Fluor 750 4

Détection multiple Détection de plusieurs marqueurs → excitation multilongueur d'onde 375 nm 488 nm 594 nm 752 nm λ (nm) Avantage : Analyse plus exhaustive Inconvénient : Complexité accrue du dispositif 5

Multiplexage en longueur d'onde Amélioration envisagée : Illumination par un "laser blanc" Observation : Les lasers blancs peuvent être – – – continus Kudlinski & Mussot Opt. Lett. Vol. 33 No. 20 (2008) Coûteux femtosecondes (mode-locked) nanosecondes (déclenchés) Contrainte : Synchroniser le passage d'une cellule à l'émission laser Sachant : • • • Vitesse du flux ≈ 10 m. s-1 Fenêtre d'exposition ≈ 50 µm Fréquence de répétition ≈ 5 k. Hz Gigue temporelle < 1 µs 6

Recouvrement des bandes d'émission Autre problème : Recouvrement des bandes d'émissions des fluorophores Nouveau paramètre : Le temps de vie de fluorescence Exemples : (rose bengal) ≈100 ps (DCS)≈66 ps Contrainte : Durée d'impulsion < Impulsions picosecondes 7

Problématique Synchronisation du flux de cellules et de l'émission d'impulsion : → laser avec une gigue temporelle sub-microseconde Distinction entre les émissions de différents fluorophores : 1. via le temps de vie de fluorescence → lasers délivrant des impulsions picosecondes 2. via une stimulation polychromatique: → laser blanc Contraintes d'encombrement et de coût : → laser miniature et bon marché 8

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 9

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 10

Sources lasers impulsionnelles A déclenchement ou Q-switch Caractéristiques Q-switch ML Durée d'impulsion 0, 5 à 2 ns fs / ps Gigue temporelle >5 µs fs à ps Taux de répétition 1 à 100 k. Hz >MHz 1 L 100 L quelques k€ dizaines de k€ Oui Volume Coût Laser blanc ? Verrouillage de modes ou ML (Mode-lock) 11

Choix d'un type de source Laser déclenché miniature : → microlaser ou laser "microchip" Performances en labo : → durée d'impulsion 37 ps (Häring et al. JOSA B Vol. 18 No. 12 2001) Microcavité (millimétrique) → gigue temporelle 65 ps (Hansson et al. Electron. Lett. Vol. 36 No. 13 2000) Diode de pompe Milieu à gain (Nd: YAG) Absorbant saturable (Cr: YAG) Miroirs (dépôts diélectriques) Performances des lasers commerciaux : Diminution de la gigue temporelle → durée d'impulsion >500 ps Raccourcissement des impulsions → gigue temporelle >5 µs 12

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 13

Etat de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Compression par compensation de la phase spectrale : Profils temporels Source laser Milieu non linéaire Dispersion négative Profils spectraux Efficacité démontrée pour des impulsions picosecondes Difficulté de mise en œuvre pour des impulsions "longues" (500 ps) Lnon linéaire << Ldispersion (au moins 6 ordres de grandeurs) Paire de réseaux de longueur ≈50 cm 14

Rotation non-linéaire de polarisation (ou RNLP) Milieu biréfringent : → déformation de l'ellipse de polarisation lors de la propagation Biréfringence non linéaire : → no et ne dépendent de l'intensité du champ ne θ no temps 15

Description mathématique Équations de Schrödinger non linéaires (ESNL) : Auto modulation de phase Modulation de phase croisée Laser Ptransmis 16

Transmission non linéaire due à la RNLP Nettoyage des pieds d'impulsions : Stolen, Botineau & Ashkin, Opt. Lett. Vol. 7 No. 10 (1982) Nishizawa & Murayama, Opt. Lett. Vol. 32 No. 24 (2007) Verrouillage de modes dans une cavité laser fibrée : Kuzin, Ibarra Escamilla & Garcia-Gomez, Opt. Lett. Vol. 26 No. 20 (2001) Yang, Tangdiongga, Lenstra, Khoe & Dorren, ► Opt. Exp. Vol. 12 No. 11 (2004) 17

RNLP pour le profilage d'impulsion Nikolaus, Grischkowsky & Balant, Opt. Lett. Vol. 8 No. 3 (1983) Réduction de la durée par un facteur 2, 5 18

Description mathématique plus complète ESNL d'une impulsion de forte puissance crête dans un milieu faiblement biréfringent : Couplage cohérent : mélange à 4 ondes dégénéré entre les composantes de polarisation du champ ; → le terme d'accord de phase dépend de la biréfringence et de la distance de propagation. Diffusion Raman stimulée : diffusion inélastique du milieu qui convertit une fraction de l'onde en fréquence ; → l'efficacité de ce phénomène augmente avec la puissance instantanée et la distance de propagation. 19

Description mathématique ESNL dans un milieu faiblement biréfringent : Ptransmis Couplage cohérent Laser 20

Résolution numérique ESNL simplifiée : Lfibre =5 m • β 1 x≈β 1 y • α≈0 Diffusion Raman négligée Résolution numérique : méthode split-step Fourier Erreur de l'ordre dz² A(t, z=0) A(t, z+dz) Effets Dispersifs TF-1 TF Non Linéarités Paramètres de simulation : λ=1064 nm LB=1 m Pcrête entre 1 et 10 k. W β 2=16, 5 ps 2 km-1 Durée d'impulsion=650 ps γ=2 W-1 km-1 21

Validation de la méthode : effets linéaires 1 ps 10 ps ▲ Influence de la biréfringence linéaire sur l'ellipse de polarisation ◄ Étalement temporel des impulsions qui subissent majoritairement les effets de dispersion 22

Validation de la méthode : effets non linéaires 100 ps ◄ Compétition entre les effets non linéaires et dispersif (durée 100 ps, Pcrête=100 W) 500 ps ◄ Élargissement spectral d'une impulsion principalement soumise aux non-linéarités (durée 500 ps, Pcrête=2 k. W) 23

Méthode de recherche systématique Pcrête+δPcrête Puissance crête Pcrête Orientation de polarisation d'injection θin+δθ Orientation de polarisation à l'émergence θout+δθ Analyse des profils temporels 24

Critères de sélection d'impulsions raccourcies ◄ La seule prise en compte des durées d'impulsions est insuffisante. Il faut également tenir compte de la puissance crête. ◄ La largeur mesurée à 1/5ème de la hauteur afin d'éviter la sélection d'impulsion avec une fraction importante d'énergie dans les pieds. 25

Résultats numériques Découpe d'impulsions Raccourcissement jusqu'à un facteur 37 Puissance crête faiblement atténuée (≈<10%) Fraction d'énergie de l'impulsion localisée dans les pieds de l'impulsion : → possibilité de nettoyage de l'impulsion 26

Montage expérimental Laser Nd: YAG JDSU : Pcrête=12 k. W frép. =7, 9 k. Hz Oscilloscope Tektronix : Résolution ≈20 ps Fibre Corning HI 1060 : L≈6 m LB≈1 m Analyseur de spectre : Résolution 10 pm 27

Découpe d'impulsions expérimentale Durée accordable entre 650 et 60 ps Soit un facteur de raccourcissement jusqu'à 11 A partir d'un facteur de découpe >3, une structuration des pieds des impulsions apparaît. Importante sélectivité spectrale Impulsion de 60 ps : ΔtΔν≈0, 62 28

Comparaison entre simulation et expérience A partir d'une impulsion raccourcie expérimentalement : Pcrête=2, 3 k. W θinexpé≈16± 4° θoutexpé= ? On recherche une impulsion numérique raccourcie avec un profil similaire (en calculant l'intégrale de recouvrement) avec : • une puissance crête initiale de Pcrête=2, 3 k. W • un angle θinnum dans la gamme [12° ; 20°] • et θoutnum dans la gamme [0 ; 180°] La meilleure correspondance est obtenue pour : θinnum=19, 3° θoutnum=178° 29

Inconvénients de la méthode de découpe 1. 2. 3. 4. Perte d'énergie par impulsion proportionnelle au facteur de raccourcissement Pas de relation simple établie entre puissances crête, angles et raccourcissement Instabilité du profil temporel pour un facteur de découpe >8 causée par la sensibilité du dispositif aux variations de biréfringence Montée en puissance limitée par l'apparition de la diffusion Raman stimulée 30

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 31

Diffusion Raman stimulée Principe : Niveaux virtuels λ 1 Niveau fondamental λS λ 1 λAS Dans une fibre en silice : • Décalage en fréquence sur une bande large (8 THz) autour de 13, 2 THz • Seuil de puissance autour de 2 k. W pour une fibre de diamètre 6, 2 µm et de longueur 5 m 32

Effet de la diffusion Raman stimulée Apparition lorsque Pcrête>2, 3 k. W (proche du seuil théorique de 2 k. W) LNL << LDisp → forte distorsion du spectre → faible distorsion temporelle 33

Combinaison avec la RNLP Microlaser + alimentation 500 ps Contrôleur polarisation Fibre 1 m Facteur de découpe >16 Système de filtrage 34

Discussion des résultats Combinaison de l'effet Raman et de la RNLP : → sensibilité moindre aux variations de biréfringence → meilleure stabilité du profil temporel Les impulsions ne sont pas à la limite de Fourier TF-1 numérique → possibilité de compression temporelle ? 35

Conclusion partielle sur la découpe temporelle 1. 2. Découpe d'impulsion par un facteur continûment accordable jusqu'à 11 D'un point de vue énergétique : • • • 3. 4. faible atténuation de la puissance crête (≈10%) le ratio d'énergie dans les pieds des impulsions augmente avec le facteur de raccourcissement (jusqu'à 46% pour des impulsion de 60 ps) ajout d'un second étage de filtrage → intérêt validé numériquement → réalisation expérimentale d'un système tout fibré à finaliser Importante sélectivité spectrale de la technique Combinaison avec le filtrage des longueurs d'onde Raman-Stokes • • • facteur de découpe augmenté jusqu'à 16 possibilité d'obtenir une paire d'impulsions brèves (<50 ps) importante stabilité (>96%) sur un temps long (>1 h) 36

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 37

Cause de la gigue d'un microlaser 1. 2. Impulsions construites à partir du bruit d'émission spontanée Le seuil d'émission se situe dans une zone dont l'épaisseur dépend : • du temps de vie de l'état excité du milieu à gain • de la puissance de la diode de pompe • de la fluctuation de cette puissance • d'effets thermiques • de la stabilité de la cavité 38

État de l'art sur la réduction de gigue ►Modulation de la puissance de pompe Mandeville et col. Proc. SPIE Vol. 2748 (1996) Khurgin et col. Appl. Opt. Vol. 41 No. 6 (2002) Lai et col. Appl. Phys. Lett. Vol. 79 No. 8 (2007) → gigue de 0, 5 µs → nécessité d'un rétro-contrôle sur la diode de pompe ► Insertion d'un modulateur actif dans la cavité du microlaser Zayhowski et col. , Opt. Lett. Vol. 17 No. 17 (1992) Hansonn et Arvidsson, Electron. Lett. Vol. 36 No. 13 (2000) → gigue sub-nanoseconde → contrôle strict en température (± 0, 1°) → impulsions "longues" (>1 ns) 39

État de l'art sur la réduction de gigue ▼ Déclenchement passif par réinjection dans la cavité d'une fraction de l'impulsion précédente Nodop et al. Opt. Lett. Vol. 35 No. 17 (2010) → gigue réduite de 10 ns à 20 ps → fréquence de répétition fonction de la longueur de la ligne à retard (3 k. Hz nécessite 100 km de fibre) 40

Microlaser à deux cavités imbriquées Pompe en dessous du seuil Milieu à gain Absorbant saturable Microcavité (millimétrique) Laser photons MAO Cavité longue (métrique) Déclenchement actif : piloté par le modulateur acousto-optique → faible gigue Durée d'impulsion : déterminée par la microcavité → impulsion sub-nanoseconde 41

Équations d'état d'un système à deux cavités Wp Milieu à gain Inversion de population (N) Absorbant saturable Flux de photon (φ) Population état : - fondamental Ng - excité Ne Déclenchement actif simulé par une brusque augmentation de la réflectivité du miroir d'extraction Résolution de ces équations à l'aide d'un solveur ODE 23 42

Simulation de la gigue d'un microlaser passif Comportement d'un microlaser à déclenchement passif : • effet laser pour R=90%, fréquence de répétition ≈30 µs • cavité sous tendue pour R=70% 43

Simulation de la gigue d'un microlaser passif ◄ Gigue d'un laser passif pour différentes ampleurs des fluctuations de la puissance de pompe ◄ Laser hybride : Diminution de la gigue de plusieurs ordres de grandeur 44

Données expérimentales ▼ Réduction de la gigue en dessous de la microseconde (soit un facteur 625 à 3 k. Hz) ▲ Conservation d'une durée d'impulsion subnanoseconde 45

Conclusion partielle sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées contenant • un déclencheur actif (cavité longue) • un déclencheur passif (cavité courte) permet : • de réduire la gigue temporelle à quelques dizaines de ns • de conserver la durée d'impulsion sub-nanoseconde – – découplage entre la durée d'impulsion et le temps de déclenchement découplage entre la durée d'impulsion et la longueur de la cavité laser L'augmentation du facteur de surtension de la cavité longue (M 3→ Rmax) diminue l'extraction des impulsions. Possibilité d'extraire via une conversion de fréquence ? 46

Plan de la présentation 1. Sources lasers impulsionnelles 2. Raccourcissement d'impulsions issues d'un microlaser – – – État de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Découpe temporelle par rotation non linéaire de polarisation Exploitation conjointe de la diffusion Raman et de la RNLP 3. Réduction de la gigue temporelle – – Cause de la gigue des lasers déclenchés État de l'art sur la réduction de la gigue Système à deux cavités imbriquées Divers types de déclencheurs actifs 4. Laser déclenché polychromatique sans gigue 5. Conclusion 47

Élargissement spectral intracavité Génération d'un supercontinuum afin d'assurer l'extraction d'un signal large bande d'une cavité surtendue à 1064 nm Pompe en dessous du seuil Milieu à gain Absorbant saturable MAO M 3 RMAX @ 1064 nm Milieu NL 48

État de l'art sur les sources larges bandes Source laser Milieu NL • Femtoseconde Ranka et al. , Opt. Lett. 25, 25 (2000) Genty et al. , Opt. Expr. 10, 1083 (2002) … • Picoseconde Baldeck et al. , J. of Ligth. Techn. LT-5, 1712 (1987) Coen et al. , Opt. Lett. 26, 1356 (2001) … • Nanoseconde Provino et al. , Elect. Lett. 37, 558 (2001) Mussot et al. , Opt. Lett. 28, 18 (2003) … • Continu Avdokhin et al. , Opt. Lett. 28, 1353 (2003) Mussot et al. , Opt. Expr. 12, 28 (2004) … • Solide Alfano et al. , Phys. Rev. Lett. 24, 548 (1970) Yu et al. , Opt. Comm. 14, 344 (1975) … • Liquide Alfano et al. , Phys. Rev. A 6, 433 (1972) Wernke et al. , Opt. Comm. 4, 413 (1972). . . • Gaz Corkum et al. , Phys. Rev. Lett. 57, 2268 (1986) François et al. , Opt. Comm. 99, 241 (1992). . . • Guide d’ondes Lin et al. , Appl. Phys. Lett. 28, 216 (1976) Spalter et al. , Opt. Lett. 27, 363 (2002) … • Fibre optique microstructurée Ranka et al. , Opt. Lett. 25, 25 (2000) … 49

Fibre non linéaire à deux cœurs concentriques ▼ Fibre PERFOS pitch ≈2, 77 µm Øtrou ≈1, 43 µm Emploi de fibres à cœurs concentriques en régime linéaire pour compenser la dispersion : Mangan et al. CLEO CPPP 3 (2004) Gerome et al. Opt. Lett. Vol. 29 No. 23 (2004) 50

Fibre non linéaire à deux cœurs concentriques : élargissement spectraux hors cavité Utilisation de la fibre pour pratiquer des élargissements spectraux : • Injection dans le cœur central • Spectre hors cavité • Estimation numérique de la courbe de dispersion 51

Pompe Milieu à gain Absorbant saturable Génération de supercontinuum intracavité MAO Mesure par photodiode EOT 5000 T 690 ps Fibre NL ◄ Augmentation de la gigue causée par les pertes dans la FMAS 52

Conclusion générale Résultats obtenus : • Découpe temporelle par RNLP – – – technique très sélective en polarisation conservation d'une puissance crête importante exploitation de la RNLP uniquement • • – exploitation de la RNLP et de la diffusion Raman stimulée • • • durée continûment accordable entre 650 et 60 ps instable aux forts facteurs de raccourcissement stabilité importante possibilité de paires d'impulsions Gigue temporelle dans un système à 2 cavités – – technique de diminution de la gigue de 2 ordres de grandeur possibilité d'intégration d'une FMAS pour élargir le spectre Perspectives : → Combiner ces techniques pour obtenir une sources destinée à la cytométrie → Amplifier les impulsions raccourcies 53

Valorisation Revues internationales à comité de lecture : • Optics Letters / Vol. 33, No. 16, p. 1789 (2008) • Optics Letters / Vol. 34, No. 14, p. 2087 (2009) Conférences internationales : • CLEO Europe/IQEC, Munich, Allemagne (2009) • Symposium on optronics in defence and security OPTRO, Paris, France (2010) • 14 th International conference "Laser Optics 2010", St Petersbourg, Russie (2010) Conférences nationales : • 26 ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Grenoble (2007) • 11 ième Colloque sur les lasers et l'optique quantique COLOQ, Mouans-Sartoux (2009) • 29 ièmes Journées nationales d'optique guidée JNOG, Besançon (2010) Brevets : • Demande de brevet France N° 09/02987 déposé le 9 juin 2009 (CNRS, Université de Limoges, société CILAS), Extension PCT demandée le 13/04/2010 • Demande de brevet France N° 09/02986 déposé le 19 juin 2009 (CNRS, Université de Limoges, société CILAS), Extension PCT demandée le 13/04/2010 54

Merci de votre attention 55