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HAL Id: tel-03234354 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03234354 Submitted on 25 May 2021 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale Etienne Deliancourt To cite this version: Etienne Deliancourt. Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale. Optique / photonique. Université de Limoges, 2021. Français. NNT : 2021LIMO0024. tel-03234354 Université de Limoges ED 610 - Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (SISMI) Laboratoire Xlim – Axe Photonique – Equipe PhoCal Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Limoges Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes Spécialité Photonique Présentée et soutenue par Etienne Deliancourt Le 2 avril 2021 Thèse dirigée par Vincent Kermene et Agnès Desfarges-Berthelemot Composition du jury : Rapporteurs M. Laurent Bigot, Directeur de recherche CNRS, Laboratoire PhLAM, Université de Lille – CNRS M. Hervé Maillotte, Directeur de recherche CNRS, Institut Femto-ST, Université de Bourgogne-Franche-Comté – CNRS Examinateurs M. Patrick Georges, Directeur de recherche CNRS, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique Graduate School – Université Paris-Saclay – CNRS M. Vincent Couderc, Directeur de recherche CNRS, Laboratoire Xlim, Université de Limoges – CNRS M. Vincent Kermene, Directeur de recherche CNRS, Laboratoire Xlim, Université de Limoges – CNRS Mme Agnès Desfarges-Berthelemot, Professeure des Universités, Laboratoire Xlim, Université de Limoges – CNRS Invités M. Alessandro Tonello, Maitre de Conférence, Laboratoire Xlim, Université de Limoges – CNRS Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale Thèse de doctorat Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 2 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 3 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Le problème, c’est que les humains ont un don pour désirer ce qui leur fait le plus de mal. Harry Potter à l’école des sorciers, Dumbledore Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 4 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 5 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Remerciements Tout d’abord, je souhaite remercier messieurs MAILLOTTE et BIGOT pour avoir accepté de rapporter mes travaux de thèses. Je remercie également l’ensemble des membres du jury qui a été présidé par le directeur de recherche COUDERC d’avoir évalué ces travaux de doctorat. Je remercie mes directeurs de thèse Vincent KERMENE et Agnès DESFARGES- BERTHELEMOT, mais également Alain BARTHÉLEMY et Marc FABERT qui se sont investis dans l’encadrement de mes travaux. Je les remercie pour leur patience, leurs conseils. Mais également pour la bonne humeur quotidienne au sein de l’équipe qui a créé un lieu d’où il est agréable de travailler et d’apprendre. Évidemment, ce manuscrit ne serait pas ce qu’il est aujourd’hui sans leur investissement et leurs soutiens pour y apporter les corrections nécessaires. Je réserve évidemment une place importante dans ces remerciements à tous les doctorants du laboratoire avec qui j’ai pu interagir aussi bien professionnellement que personnellement. Tout particulièrement mes anciens collègues de bureau Jérémy et Raphaël qui ont donné un bureau vivant et chaleureux. Merci au couloir de photonique A (Romain, Geoffroy, Baptiste, Marie-Alicia, Raphaël, Yann et bien d’autres) pour les pauses café, les soirées, les barbecues et votre bonne humeur. Big up à GPPMM pour un CLEO Europe que je ne suis pas près d’oublier ! Une dédicace spéciale à la bande de doctorants/amis (Flavien, Hugo, Maxime, Lova, Thomas et Gabin) qui répond lorsque « Le Gondor appelle à l’aide ! ». Merci également aux belles rencontres (qui se reconnaîtront) faites lors de mes années d’études. Merci aux potes du lycée qui sont toujours là après tout ce temps. Enfin, merci à mes potes les plus anciens Maxime et Quentin à qui je suis obligé de penser dans ces remerciements (et non Quentin, je n’ai pas de note à ma thèse !). Mes derniers remerciements vont à mes parents et à ma famille qui ont accepté mon souhait de faire de courtes études ce qui m’a naturellement amené à entreprendre une thèse. Merci pour le soutien inconditionnel sur un sujet très abstrait et pendant la période difficile de la rédaction en temps de COVID (il fallait bien l’évoquer à un moment…). En tout cas, merci à vous d’être là. Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 6 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Droits d’auteurs Cette création est mise à disposition selon le Contrat : « Attribution-Pas d'Utilisation Commerciale-Pas de modification 3.0 France » disponible en ligne : http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/fr/ Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 7 Licence CC BY-NC-ND 3.0 Table des matières Introduction Générale ...........................................................................................................17 Chapitre I. Les effets non linéaires dans les fibres optiques multimodales ............................21 Introduction .......................................................................................................................21 I.1. Généralités sur les fibres optiques multimodales ........................................................22 I.1.1. Principe de guidage et fibre multimodale ..............................................................22 I.1.2. Dispersion dans les fibres optiques ......................................................................26 I.2. Propagation en régime non linéaire dans les fibres optiques.......................................29 I.2.1. Effets non linéaires à réponse élastique ...............................................................29 I.2.1.1. Modulation de phase ......................................................................................30 I.2.1.1.1. Automodulation de phase ........................................................................30 I.2.1.1.2. Modulation de phase croisée ...................................................................31 I.2.1.1.3. Effets spatiaux de la modulation de phase ...............................................31 I.2.1.2. Mélange à quatre ondes.................................................................................32 I.2.2. Effets non linéaires à réponse inélastiques ...........................................................33 I.2.3. Interactions non linéaires dans les fibres multimodales ........................................34 I.3. Nettoyage spontané de la distribution transverse de champ se propageant dans une fibre à gradient d’indice parabolique .................................................................................38 I.3.1. Nettoyage de faisceau spontané dans une fibre à gradient d’indice parabolique par processus non linéaire inélastique .................................................................................38 I.3.2. Autonettoyage de faisceau par effet Kerr ..............................................................40 I.3.2.1. Description du phénomène ............................................................................40 I.3.2.2. Interprétations théoriques possibles ...............................................................44 I.3.2.2.1. Attracteur universel instable .....................................................................44 I.3.2.2.2. Analogie avec le phénomène de faible turbulence en hydrodynamique ...45 I.3.2.2.3. Analogie avec le phénomène de thermalisation et de condensation ........47 I.3.2.2.4. Exploitation du réseau créé par l’auto-imagerie dans une fibre multimode de type GRIN .........................................................................................................51 Conclusion ........................................................................................................................55 Chapitre II. Pré-compensation de front d’onde pour une propagation contrôlée dans des milieux complexes linéaires et non-linéaires .........................................................................57 II.1. Introduction ................................................................................................................57 II.2. Les différentes techniques de mise en forme du front d’onde pour maitriser la propagation dans des milieux linéaires complexes ...........................................................58 Contrôle de front d’onde appliqué à la propagation à travers des milieux diffusants ......................................................................................................................................58 Procédés opto-numériques exploités pour la mise en forme de front d’onde .......60 II.2.2.1. Méthodes directes de structuration de front d’onde pour contrôler la propagation d’un faisceau cohérent dans un milieu complexe ...................................60 Algorithmes d’optimisation itérative pour maitriser la propagation d’un faisceau cohérent dans un milieu complexe ................................................................................65 II.3. Contrôle de front d’onde dédié à la propagation à travers une fibre multimodale .......72 Mise en forme spatiale en extrémité de fibre optique ...........................................72 II.3.1.1. Focalisation à travers une fibre multimodale .................................................72 II.3.1.1.1. Focalisation sur un point unique .............................................................73 II.3.1.1.2. Focalisation multipoint ............................................................................75 Etienne Deliancourt | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2021 8 Licence CC BY-NC-ND 3.0 II.3.1.2. Synthèse modale ..........................................................................................76 Mise en forme temporelle d’impulsions ................................................................77 Profilage de rayonnements optiques cohérents en présence de non-linéarités ....79 II.3.3.1. Contrôle de la propagation en milieu non linéaire volumique .........................80 II.3.3.2. Contrôle de la propagation dans une fibre multimodale non linéaire .............81 II.4. Conclusion .................................................................................................................86 Chapitre III. Synthèse modale et mise en forme spatiale par structuration adaptative du front d’onde à travers une fibre optique multimodale à gradient d’indice parabolique, en régime non linéaire ...........................................................................................................................87 III.1. Introduction ...............................................................................................................87 III.2. Détermination des paramètres clés du système adaptatif .........................................88 III.2.1. Structuration de front d’onde et couplage dans la fibre multimode ......................88 III.2.2. Fonction objectif de la boucle d’asservissement .................................................92 III.2.3. Algorithme d’optimisation adaptatif .....................................................................94 III.3. Démonstration expérimentale d’un système agile et dynamique de mise en forme spatiale d’un faisceau en combinant effets non linéaires et optique adaptative .................98 III.3.1. Montage expérimental ........................................................................................98 III.3.2. Synthèse non linéaire d’un catalogue de modes basée sur l’utilisation d’une métrique spatiale ......................................................................................................... 100 III.3.2.1. Apport de la boucle d’optimisation sur l’autonettoyage par effet Kerr en faveur du mode fondamental .............................................................................................. 100 III.3.2.2. Synthèse non linéaire d’un panel de modes d’ordre bas ............................ 103 III.3.2.3. Influence de la puissance sur la synthèse modale...................................... 107 III.4. Conclusion .............................................................................................................. 110 Chapitre IV. Étude numérique et expérimentale de l’influence de la pré-compensation du front d’onde sur le phénomène de thermalisation de la population modale dans une fibre à gradient d’indice parabolique .............................................................................................. 113 IV.1. Introduction ............................................................................................................. 113 IV.2. Présentation du modèle numérique de propagation d’onde dans une fibre multimodale .................................................................................................................... 114 Modèle numérique utilisé pour simuler la propagation d’un champ intense dans une fibre multimodale GRIN ........................................................................................ 114 Limitations du modèle ...................................................................................... 120 IV.3. Gestion adaptative de la thermalisation de la population modale uploads/Science et Technologie/ 2021-limo-0024.pdf