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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. Diagnostic cellulaire par cytométrie en flux. Objectif :
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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
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 kHz) • Analyse cellule par cellule • Rapport signal sur bruit élevé (potentiellement jusqu'à ≈104)
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) ◄ Détecteurs 1 & 2 → cartographie des types cellulaires Polynucléairesneutrophiles Fluorochrome ►Détecteurs 3 → présence d'un antigène spécifique Monocytes Anticorps Cellule marquée Lymphocytes
La fluorescence en cytométrie Rappel sur la fluorescence : • Excitation à une longueur d'onde λ1 • Émission une longueur d'onde λ2 1,8-ANS Alexa Fluor 488 Niveaux excités λ1 λ2 5-ROX Niveau fondamental TOTO-3 Sauf cas particulier : Une source par λ d'excitation Alexa Fluor 750
Détection multiple Détection de plusieurs marqueurs → excitation multilongueur d'onde λ (nm) 375 nm 488 nm 594 nm 752 nm Avantage : Analyse plus exhaustive Inconvénient : Complexité accrue du dispositif
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) • femtosecondes (mode-locked) • nanosecondes (déclenchés) Coûteux 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 kHz Gigue temporelle < 1 µs
Recouvrement des bandes d'émission Autre problème : Recouvrement des bandes d'émissions des fluorophores Nouveau paramètre : Le temps de vie de fluorescence Contrainte : Durée d'impulsion < Exemples : (rose bengal) ≈100 ps (DCS)≈66 ps Impulsions picosecondes
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 Problématique
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Sources lasers impulsionnelles A déclenchement ou Q-switch Verrouillage de modes ou ML (Mode-lock)
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) → gigue temporelle 65 ps (Hansson et al. Electron. Lett. Vol.36 No.13 2000) Microcavité (millimétrique) Diode de pompe Milieu à gain (Nd:YAG) Absorbant saturable (Cr:YAG) Miroirs (dépôts diélectriques) Performances des lasers commerciaux : → durée d'impulsion >500 ps → gigue temporelle >5 µs Diminution de la gigue temporelle Raccourcissement des impulsions
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Etat de l'art sur le raccourcissement d'impulsions Compression par compensation de la phase spectrale : Profils temporels Milieu non linéaire Source laser 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
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 θ no ne temps
Laser Description mathématique Équations de Schrödinger non linéaires (ESNL) : Auto modulation de phase Modulation de phase croisée Ptransmis
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)
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
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.
Description mathématique ESNL dans un milieu faiblement biréfringent : Couplage cohérent Ptransmis Laser
A(t,z=0) Effets Dispersifs TF A(t,z+dz) Non Linéarités TF-1 Résolution numérique ESNL simplifiée : • Lfibre =5 m • β1x≈β1y • α≈0 • Diffusion Raman négligée Résolution numérique : méthode split-step Fourier Erreur de l'ordre dz² Paramètres de simulation : λ=1064 nm Pcrête entre 1 et 10 kW Durée d'impulsion=650 ps LB=1 mβ2=16,5 ps2km-1γ=2 W-1km-1
Validation de la méthode : effets linéaires ▲ Influence de la biréfringence linéaire sur l'ellipse de polarisation ◄ Étalement temporel des impulsions qui subissent majoritairement les effets de dispersion 1 ps 10 ps
Validation de la méthode : effets non linéaires 100 ps ◄ Compétition entre les effets non linéaires et dispersif (durée 100 ps, Pcrête=100 W) ◄ Élargissement spectral d'une impulsion principalement soumise aux non-linéarités (durée 500 ps, Pcrête=2 kW) 500 ps
Méthode de recherche systématique Puissance crête Pcrête Pcrête+δPcrête Orientation de polarisation d'injection θin θin+δθ Orientation de polarisation à l'émergence θout θout+δθ Analyse des profils temporels
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.
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
Montage expérimental Laser Nd:YAG JDSU : Pcrête=12 kW frép.=7,9 kHz Fibre Corning HI1060 : L≈6 m LB≈1 m Oscilloscope Tektronix : Résolution ≈20 ps Analyseur de spectre : Résolution 10 pm
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
Comparaison entre simulation et expérience A partir d'une impulsion raccourcie expérimentalement : Pcrête=2,3 kWθinexpé≈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 kW • 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°
Inconvénients de la méthode de découpe • 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
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Diffusion Raman stimulée Principe : Niveaux virtuels λ1 λ1 λS λAS Niveau fondamental 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 kW pour une fibre de diamètre 6,2 µm et de longueur 5 m
Effet de la diffusion Raman stimulée Apparition lorsque Pcrête>2,3 kW (proche du seuil théorique de 2 kW) LNL << L << LDisp → forte distorsion du spectre → faible distorsion temporelle
Combinaison avec la RNLP Microlaser + alimentation 500 ps Contrôleur polarisation Fibre 1m Système de filtrage Facteur de découpe >16
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 → possibilité de compression temporelle ? TF-1 numérique
Conclusion partielle sur la découpe temporelle • Découpe d'impulsion par un facteur continûment accordable jusqu'à 11 • D'un point de vue énergétique : • 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)
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Cause de la gigue d'un microlaser • 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
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)
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 kHz nécessite 100 km de fibre)
Microlaser à deux cavités imbriquées Microcavité (millimétrique) Laser photons Pompe en dessous du seuil MAO Absorbant saturable Milieu à gain Cavité longue (métrique) Déclenchement actif : piloté par le modulateur acousto-optique → faible gigue Durée d'impulsion : déterminée par la microcavité → impulsion sub-nanoseconde
Équations d'état d'un système à deux cavités Flux de photon (φ) Wp Absorbant saturable Milieu à gain Population état : - fondamental Ng - excité Ne Inversion de population (N) Déclenchement actif simulé par une brusque augmentation de la réflectivité du miroir d'extraction Résolution de ces équations à l'aide d'un solveur ODE23
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%
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
Données expérimentales ▼ Réduction de la gigue en dessous de la microseconde (soit un facteur 625 à 3 kHz) ▲ Conservation d'une durée d'impulsion sub- nanoseconde
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 (M3→ Rmax) diminue l'extraction des impulsions. Possibilité d'extraire via une conversion de fréquence ?
Plan de la présentation • Sources lasers impulsionnelles • 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 • 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 • Laser déclenché polychromatique sans gigue • Conclusion
Élargissement spectral intracavité Génération d'un supercontinuum afin d'assurer l'extraction d'un signal large bande d'une cavité surtendue à 1064 nm M3 RMAX @ 1064 nm MAO Milieu NL Pompe en dessous du seuil Absorbant saturable Milieu à gain
État de l'art sur les sources larges bandes Source laser Milieu NL • 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) … • 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) …
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 CPPP3 (2004) Gerome et al. Opt. Lett. Vol.29 No. 23 (2004)