Design, modelling, and experiments of mid-infrared supercontinuum generation in soft-glass photonic crystal fibers

This doctoral thesis, funded within the framework of a European Marie-Curie H2020 SUPUVIR project, focuses on the design and fabrication of new photonic crystal fibers from infrared soft glasses making it possible to produce a wide emission spectrum in the mid-infrared (IR) wavelength region through generation of supercontinuum (SC). Applications of mid-IR SC sources cover infrared spectroscopy, optical detection of chemical and molecular species, materials processing, and biomedical imaging. An alternative to conventional thermal light sources, mid-IR sources have broad spectral bandwidth like a lamp or Globar and high brightness, which is more than 20 times of the sun focussed in a small spot similar to a laser. Several optical fibers with different photonic structures and different soft glasses have been produced and studied. In collaboration with the Institute of Electronic Materials Technology in Warsaw, heavy metal-oxide glass (PBG81) microstructured fibers were first developed and with these fibers we demonstrated the efficient generation of SC from 0.89 to 2.5 µm, limited by the absorption of the glass. Then, in partnership with the University of Rennes and the Technical University of Denmark, we fabricated microstructured fibers based on chalcogenide glasses (As38Se62) with polarization-maintaining property. These fibers have made it possible to generate a linearly polarized 3.1 to 6 µm supercontinuum. SC bandwidth was further extended between 1 µm and 7.4 µm in taper fibers produced from Ge10As22Se68 glass. The laser power handling capacities of these chalcogenide fibers were also analyzed. Finally, we have developed a compact mid-IR SC system using a fiber cascade comprising of silica, fluoride, and chalcogenide fiber, pumped by a fiber laser at 1.55 µm, and making it possible to extend the emission range from 2 to 10 µm. This research work thus constitutes an important step towards the development of stable and compact fiber SC sources for various applications in the mid-infrared.; Cette thèse de doctorat, financée dans le cadre d’un projet Européen Marie-Curie H2020 SUPUVIR, porte sur la conception et la fabrication de nouvelles fibres optiques de verres infrarouges permettant de produire un large spectre d’émission dans l’infrarouge moyen par génération de supercontinuum. Les applications couvrent la spectroscopie, la détection optique d’espèces chimiques et moléculaires, le traitement des matériaux et l'imagerie biomédicale. Plusieurs fibres optiques avec différents structures photoniques et différent matériaux infrarouges ont été réalisées et étudiées. En collaboration avec l'Institut de technologie des matériaux électroniques à Varsovie, nous avons dans un premier temps développé des fibres microstructurées en verre d’oxyde de métal (PBG81) et nous avons démontré avec ces fibres la génération efficace de supercontinuum de 0.89 µm à 2.5 µm, limité par l’absorption du verre. Ensuite, nous avons conçu en partenariat avec l’Université de Rennes et l’Université Technique du Danemark des fibres microstructurées à base de verres chalcogénures (As38Se62) avec un maintien de la polarisation. Ces fibres ont permis de générer un supercontinuum de 3.1 à 6 µm linéairement polarisé. Les capacités de tenue à la puissance laser de ces fibres chalcogénures ont été également analysées. Afin d’étendre cette bande d’émission, des fibres étirées en verre Ge10As22Se68 à très petit cœur ont été ensuite réalisées. Enfin, nous avons développé un système compact comprenant une série de fibres de silice, de verre fluoré, et de verre chalcogénure, pompé par un laser à fibre à 1.55 µm, et permettant d’étendre la gamme d’émission de 2 à 10 µm. Ces travaux de recherche constituent ainsi une étape importante vers le développement de sources fibrées, stables et compactes pour diverses applications dans l’infrarouge moyen.