Sources à supercontinuum large bande dans le moyen infra-rouge – BISCOT

Nous avons développé des guides d’ondes à semi-conducteur uniques en leur genre qui associent un guidage monomode sur une large plage de longueurs d’ondes, de faibles pertes de transmission et des caractéristiques particulièrement adaptées pour la conversion paramétrique dans l’infrarouge moyen. Ces guides nous ont permis de réaliser une source paramétrique émettant des impulsions ultracourtes autour de 4 et 12 µm, ce qui est une première mondiale dans une architecture guidée.
Nous avons également développé de nouveaux lasers ultrarapides émettant à des longueurs d’ondes centrées entre 2 et 3.4 µm. Ces lasers s’appuient sur des fibres transparentes dans le moyen infrarouge et exploitent le mécanisme d’auto-décalage en fréquence par effet Raman pour réaliser des sources monolithiques fibrées délivrant des impulsions femtosecondes de plusieurs dizaines de kW de puissance crête et accordables en longueur d’onde.

A partir de ces lasers nous avons, en partenariat avec le CEA, réalisé des sources de rayonnement secondaire par génération d’harmoniques d’ordres élevées (HHG) dans l’ultraviolet extrême (EUV) à partir de cibles solides. Jusqu’à maintenant ce type de rayonnement est produit avec des sources de hautes énergies émettant dans le proche infrarouge autour de 800 et 1030 nm. L’utilisation d’impulsions ultracourtes aux grandes longueurs d’ondes apporte un meilleur rendement de conversion de ce processus. Par ailleurs, l’exploitation des effets de confinement de la lumière dans des structures solides donne lieu à un abaissement du seuil requis pour le déclenchement du processus HHG ouvrant ainsi la voie vers le développement de sources EUV fortement compactes pour des applications en imagerie, médecine et nano-électronique.

Ce projet a également permis de poursuivre nos travaux autour d’une application concrète des sources de supercontinuum étendus de haute brillance à savoir la spectromicroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) qui combine la résolution spatiale de la microscopie optique avec la sélectivité spectrale de la spectroscopie vibrationnelle. Jusqu’à présent cette technique, indispensable pour les études de biologie et de science des matériaux où une haute résolution spatiale est requise, s’appuyait principalement sur les sources synchrotrons qui peuvent fournir des faisceaux limités par diffraction dans l'infrarouge. Dans le cadre de BISCOT, nous avons démontré que les sources laser à spectres étendus dans l'infrarouge moyen permettent une cartographie spectrale rapide des propriétés localisées des matériaux avec une résolution proche de la limite de diffraction ouvrant ainsi la voie vers une possibilité d’exploitation in-situ pour l’aide au diagnostic précoce dans le contexte hospitalier par exemple.

Les résultats obtenus dans BISCOT montrent que l’approche étudiée est très prometteuse pour développer des sources à spectres étendus dans l’infrarouge moyen. Le couplage des lasers à fibres optiques avec des guides d’ondes à semiconducteur offre une plateforme relativement compacte qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour un exploitation en spectroscopie et en imagerie. En effet, l'étude réalisée sur l'imagerie d'échantillons de foie humain montre que les résultats obtenus avec la source laser sont comparables ou supérieurs à ceux que l'on peut obtenir avec une source synchrotron pour identifier une concentration chimique localisée liée à une pathologie.
Par ailleurs, les sources lasers ultrarapides développées autours de 2.8 µm ouvrent des perspectives pour des applications en nano-photonique. En effet, le couplage des impulsions ultra-courtes dans le moyen infrarouge avec des nano-structures solides contribue à l’exacerbation du champ électrique associé permettant ainsi d’abaisser fortement le seuil d’apparition des régimes non-linéaires à champs forts. Ceci a été exploité avec succès pour la génération d’harmoniques d’ordres élevées dans les solides ouvrant ainsi la voies vers la réalisation de sources EUV fortement compactes pour des applications en imagerie, médecine et nano-électronique.

Les résultats concernant la mise au point de lasers femtosecondes fibrés dans le moyen infrarouge ont été publiés dans deux articles du journal spécialisé Optics Letters.
Les résultats concernant la spectromicroscopie ont été publiés dans Optica.
Les résultats liés à la génération de rayonne EUV par HHG ont été publiés dans Scientific Reports et Optics Letters.
Les résultats sur la génération paramétrique dans les guides OP-GaAs sont en cours de soumission à Optics Letters.
Les résultats de BISCOT ont donné lieu à 14 communications régulières dans des congrès internationaux dont 3 sur invitations.

BISCOT répond à de nombreux défis d’actualité en offrant des sources lasers innovantes dans le moyen infra-rouge, nécessaires à la généralisation de l’analyse spectroscopique dans les procédés industriels et dans les applications environnementales et médicales. L’approche s’appuie sur les contributions originales et complémentaires de deux laboratoires universitaires CORIA et XLIM, et de trois industriels TRT, III-V lab et la PME innovante NOVAE. Les partenaires étudient et réalisent des lasers fibrés de pompage multi-kW à impulsions ultracourtes (0.1 - 1 ps) entre 2.5 et 3 µm pour générer des supercontinuums multi-octaves sans précédents dans des guides d’onde en arséniure de gallium à orientation périodique. Grâce à leurs propriétés non-linéaires d’ordre deux et trois, ces composants semi-conducteurs permettent des conversions de fréquence efficaces de 2 à 20 µm. Compatible avec un faible encombrement et un déport aisé des pompes fibrées, le concept remplacera avantageusement de nombreux corps noirs.
Pour construire des lasers de forte puissance crête émettant dans la gamme 2.5 - 3 µm, nous proposons deux approches complémentaires. La première repose sur l’exploitation de l'auto-décalage Raman de solitons dans des fibres optiques en GeO2. La génération d’impulsions sub-150 fs approchant le kW de puissance crête et largement accordables dans la gamme de longueur d'onde 2 - 3 µm est attendue en utilisant des fibres GeO2 transparentes dans le moyen IR. La deuxième approche concerne le développement de lasers à verrouillage de modes et des amplificateurs de puissance émettant directement dans le moyen IR en utilisant des fibres actives en verre fluoré. Nos efforts scientifiques et technologiques seront axés sur l'exploration du concept de l'oscillateur à impulsion étirée, connu pour permettre la montée en énergie et la génération d’impulsions ultracourtes dans les lasers fibrés. Ceci passera par la définition et la formalisation de différentes stratégies de gestion de dispersion en utilisant des composants massifs (réseaux de diffraction), des fibres de chalcogénure ou des réseaux de Bragg inscrits sur fibre en verre fluoré. En cas de succès des solutions fibrées, les résultats constitueront une percée remarquable dans le domaine en ouvrant la voie vers la construction de lasers ultrarapides entièrement intégrés.
Notre démarche consistant à utiliser des guides d’onde en arséniure de gallium à orientation périodique pompé par des sources ultrarapides fibrées constitue un nouveau paradigme pour construire des sources compactes et fiables à large bande spectrale dans le moyen IR. Ceci constituera une nouvelle solution instrumentale pour la spectroscopie IR et conduira à de nouvelles méthodes de contrôle en temps réel des processus industriels plus simples à mettre en œuvre. En outre, le développement de sources ultrarapides de haute énergie opérant dans la moyen IR ouvrira de nouvelles possibilités d'applications notamment dans les domaines du traitement des matériaux, la chirurgie et la physique en champ fort. Nos approches, basées soit sur le concept de l'oscillateur à impulsions étirées ou le principe de l’auto-décalage Raman dans des formats tout fibrés, recèle un fort potentiel de valorisation. Nous porterons une attention particulière à la protection intellectuelle de manière à assurer l'exploitation industrielle de nos innovations. En particulier, NOVAE, qui est en charge de la réalisation d’un prototype et de l’identification des applications prioritaires à travers une étude de marché, constituera un partenaire privilégié pour la valorisation industrielle.