Propagation non linéaire d’ondes incohérentes : dynamique et formation du spectre optique des lasers Raman à fibre

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Auteur(s):  Suret, Pierre
Date de soutenance : 2010
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français
Garant ou directeur :  Bielawski, Serge
Classification : Sciences de l'ingénieur
Discipline : Sciences physiques
Mots-clés : Ondes incohérentes Dynamique spatio-temporelle Miroirs de Bragg
Ondes incohérentes Dynamique spatio-temporelle Miroirs de Bragg
Lasers à fibre --
Fibres optiques --
Raman, Effet --
Optique non linéaire --
Polarisation (lumière) --
Kerr, Effet --
Cohérence (optique) --
Turbulence --
Raies spectrales -- Élargissement
Photochimiothérapie --

Résumé : La problématique principale de ce mémoire concerne la dynamique de systèmes complexes d’optique fibrée. Notre approche est basée sur de nombreux aller-retours entre expériences, théorie et simulations numériques. L’étude s’articule autour de la dynamique extrêmement riche des lasers Raman à fibre (LRF) continus. Les LRF sont utilisés comme sources de rayonnement (partiellement) cohérent sur des plages de longueurs d’onde peu ou pas accessibles avec les lasers traditionnels. Sur le plan conceptuel et expérimental, deux classes de phénomènes caractérisent la dynamique des lasers Raman à fibre : des instabilités « lentes » de la puissance de sortie de l’onde émise (appelée « Stokes ») et une dynamique spatio-temporelle très rapide dont le spectre optique est une signature indirecte. En ce qui concerne la dynamique « lente » nous avons montré que les LRF standard pompés continûment présentent fréquemment des oscillations spontanées de la puissance de Stokes. Notre étude compare de nombreux dispositifs expérimentaux basés par exemple sur des fibres standard, des fibres à maintien de polarisation ou des fibres microstructurées. Nos travaux permettent d’identifier l’origine des instabilités souvent liées à la rotation non linéaire de polarisation induite par l’effet Kerr. L'étude de la formation du spectre optique des LRF continus est à l’interface entre dynamique non linéaire et physique statistique car l’onde Stokes est une onde partiellement incohérente composée de très nombreux modes longitudinaux. La largeur du spectre optique est déterminée par l’équilibre entre mélange à quatre ondes (induit par effet Kerr) et la dispersion chromatique ; nous avons montré que la dispersion induite par la réflexion sur les miroirs de Bragg de la cavité rend asymétrique ce processus. L’étude de l’interaction non linéaire entre ondes incohérentes est traditionnellement spécifique de la physique hamiltonienne et de la turbulence d’ondes ; c’est pourquoi, conjointement à l’étude de systèmes intrinsèquement dissipatifs (LRF), nous avons porté notre attention sur la propagation d'ondes optiques incohérentes en simple passage dans des fibres optiques. Au cours de ces travaux expérimentaux et théoriques, nous avons mis en évidence un nouveau processus général de thermalisation d'ondes qui brise l'équipartition usuelle de l'énergie. Nous présentons une analyse détaillée de ce phénomène dans le cadre de la théorie cinétique et nous posons de nouvelles questions sur la thermalisation et la turbulence d'ondes dans des systèmes optiques proches de l'intégrabilité. Enfin, nous présentons succinctement notre participation à une étude se situant à l'interface entre physique, biologie et applications biomédicales. Dans la photothérapie dynamique combinant photosensibilisant et irradiation laser, des molécules d’oxygène sont excitées vers leur état dit « singulet ». Nous avons réalisé un LRF accordable en longueur d’onde pour sonder la raie d'excitation de l'oxygène singulet dans des celulles cancéreuses in vitro. Ces expériences montrent qu'il est possible de tuer des cellules cancéreuses par irradiation laser sans photosensibilisant.



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