Design and optical characterization of specialty optical fibers for the stable transmission of vector-vortex beams

Résumé

De nombreuses recherches ont été développées ces dernières années pour explorer des faisceaux d’intensité complexes tels que le vortex optique. Le vortex optique est une classe particulière de faisceaux lumineux qui montre des profils d’intensité en forme de beignet et caractérisé par un trou central noir. Ce vortex est constitué soit des faisceaux à moment orbital angulaire (de l’acronyme anglais orbital angular momentum (OAM) beams) ou des faisceaux de polarisation à vecteurs cylindriques (de l’acronyme anglais cylindrical vector beams (CVBs)). Compte tenu de ce profil d'intensité unique, les faisceaux vortex ont démontré des avancées prometteuses dans de nombreuses applications telles que: l'optique quantique, la microscopie optique, la manipulation de particules, la détection, le piégeage optique et le multiplexage par répartition spatiale. Les faisceaux vortex (avec un profil d'intensité en forme de beignet) sont impliqués dans des applications liées à la microscopie à super résolution où les faisceaux annulaires permettent de briser la limite de diffraction. Une autre application est l'utilisation de vortex optiques dans des interactions lumière-matière (avec des applications possibles en spectroscopie moléculaire) qui pourraient conduire à des résultats inédits en comparaison avec les faisceaux gaussiens conventionnels. Ces applications innovantes des faisceaux vortex ont motivé davantage de travaux de recherches afin de les explorer lorsqu’ils se propagent à la fois en espace libre et dans une fibre optique. De plus, des innovations supplémentaires dans les technologies actuelles sont vitales afin de garantir le maintien d’une haute pureté dans la génération et la transmission de ces faisceaux uniques. Différentes techniques de création des faisceaux vortex ont été par conséquent explorées par les chercheurs: on peut citer entre autres: la lame de phase hélicoïdale, le modulateur de phase spatial, les métamatériaux nanostructurés. Dans cette thèse nous étudions la conception, l'optimisation et la caractérisation de fibres optiques adaptées à la propagation de faisceaux vortex optiques. L'objectif principal consiste à développer une fibre optique adaptée à une transmission stable du vortex optique, tout en conservant une pureté de mode élevée. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle conception de fibre qui prouve un nouveau régime de guidage nommé régime infiniment mono-radial, régime où la fibre ne supporte que les modes d'ordre radial fondamental pour une très grande plage de longueurs d'onde. Cette propriété est importante pour la transmission stable et efficace des faisceaux OAM et CVBs mono-radiaux qui sont le sujet d’études intenses. Un modèle basé sur la méthode des éléments finis a été développé et simulé pour étudier la fibre à cristaux photoniques (coeur annulaire), ce qui facilite l'optimisation des paramètres permettant de trouver un nouveau régime de guidage et d'évaluer les propriétés souhaitées de la fibre pour les faisceaux vortex. Les résultats des simulations sont en accord avec les résultats du modèle théorique. Ensuite, des simulations numériques sont faites pour générer un supercontinuum non-linéaire de faisceaux vortex à l'aide d'un laser à impulsions femtoseconde 835 nm utilisant des paramètres optimisés de conception de fibre. Dans la deuxième partie de ce travail, la fibre théorique conçue et simulée dans la première partie est fabriquée et caractérisée expérimentalement pour la transmission de vortex optique. Cette dernière affiche une stabilité et une pureté modale plus élevée dans la fibre. Dans cette expérience, les faisceaux OAM et CVBs sont générés à l'aide d'une lame à phase hélicoïdale commerciale dans un espace libre. Ces faisceaux sont ensuite envoyés dans une fibre fabriquée afin d’analyser la pureté et la stabilité du mode après propagation à travers la fibre. Cette expérience permet une meilleure compréhension de la transmission de ces faisceaux dans la fibre. Dans la dernière partie de cette thèse, nous proposons une fibre avec un coeur annulaire radialement anisotrope pour une nouvelle caractéristique de guidage, c'est-à-dire que la fibre pourrait permettre une co-propagation stable (avec un couplage intermodal inférieur) de différents types de faisceaux OAM (formés par superposition des modes radiales (TE) et polarisés azimutalement (TM) ou modes hybrides (HE / EH)). Une manipulation précise des paramètres de la fibre proposée permet une dégénérescence des modes TE et TM (généralement non dégénérés), tout en conservant une dégénérescence plus des modes hybrides (HE / EH)). De plus, une tel design de fibre pourrait permettre un régime de guidage unique dans lequel le mode polarisé radialement (TM01) ou azimutalement (TE01) devient le mode fondamental guidé dans la fibre à la place du mode HE11. Nous croyons que ces résultats sont pertinents au développement de la prochaine génération de systèmes de détection et de communication optiques.

Date	22 juin 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Bora Ung (Directeur(-trice))