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PhoCaL

Les activités de recherche de l’équipe PhoCaL s’inscrivent dans le cadre général de la maîtrise de la propagation optique en milieux complexes. Nos démarches utilisent comme vecteur commun l’optique cohérente et l’optique de Fourier mises au service du contrôle de la cohérence dans des milieux et systèmes complexes (guides d'ondes multimodaux, structures fibrées multivoies parallèles ou arborescentes…). Dans ce contexte, nos activités possèdent un fort caractère pluridisciplinaire relevant des domaines de l’optique non-linéaire, de l’imagerie et des lasers.

L’équipe s’intéresse aux interactions de la lumière avec des milieux non-linéaires que sont les fibres optiques et les cristaux, aux conversions de fréquences et méthodes innovantes pour l’imagerie astronomique, au contrôle et à la structuration de l’émission laser.

Les activités sont déclinées selon trois thématiques de recherche :

  • Cohérence et contrôle des interactions non-linéaires.

    Dans cette thématique, à forte connotation expérimentale, nous recherchons de nouvelles solutions de propagation non-linéaires permettant de contrôler la cohérence spatiale et temporelle des ondes en interaction dans des structures guidantes ou massives, présentant des non-linéarités d’ordres deux et trois.
  • Nouvelle génération d’Instruments d’imagerie par synthèse cohérente pour l’astronomie.

    Dans cette thématique, nous participons activement depuis plus d’une décennie aux recherches sur des systèmes d’imagerie haute résolution angulaire pour l’astronomie mettant en œuvre des conversions de fréquence.
  • Systèmes lasers et synthèse de rayonnements cohérents.

    Cette activité concerne principalement la maitrise des propriétés de cohérence des rayonnements issus de lasers couplés ou issus de réseaux d’amplificateurs ou encore d'amplificateurs à fibre multimode pour la synthèse de rayonnements aux caractéristiques spatiales et temporelles contrôlées.

Cohérence et contrôle des interactions non-linéaires

Nous exploitons les réponses non linéaires des fibres optiques pour démontrer la génération de raies spectrales ou de spectres étendus dans les domaines infrarouge et visible à partir de micro-lasers. Ces nouvelles sources sont particulièrement recherchées en spectroscopie et en microspectroscopie optique

Exemple de spectre obtenu dans une fibre optique à gradient d'indice pompée par un micro-laser émettant à 1064 nm

Nous explorons des phénomènes spatio-temporels complexes dans les fibres optiques fortement multimodales. D’une part, nous avons démontré une forme d’instabilité paramétrique permettant d’engendrer un peigne de fréquences sur un domaine spectral allant du visible-UV à l’infrarouge. L’origine de ces conversions réside dans la dynamique d’imagerie périodique obtenue dans les fibres multimodes. D’autre part, nous avons mis en évidence un effet d’auto-nettoyage spatial du faisceau lors de cette propagation non linéaire. La transformation de l’onde incidente permet de donner naissance à un étalement spectral ultralarge spatialement cohérent. Ces travaux ouvrent la voie à de nouveaux concepts de sources de puissance exploitant une dynamique non linéaire atypique basée sur l’auto-organisation de la lumière dans des guides d'ondes multimodes.

Nous nous intéressons également aux conversions large bande dans des structures cristallines à non-linéarité du second ordre. Nous avons montré comment un faisceau optique pouvait engendrer, au voisinage de l'accord de phase pour la génération de second harmonique, des élargissements spectraux autoguidés dans les domaines de l’ultraviolet, du visible et de l’infrarouge, sous la forme d’un filament multicouleur.



Illustration du concept d'auto-focalisation d'un faisceau infrarouge dans un cristal de PPLN et génération d'un filament multi-couleur. On visualise sur les deux écrans les spectres expérimentaux obtenus dans la gamme du visible, à deux températures différentes du même cristal.

Nouvelle génération d’Instruments d’imagerie par synthèse cohérente pour l’astronomie

Nous sommes à l’origine d’un nouveau concept d’imagerie directe appelé hypertélescope temporel. L’asservissement des différents chemins optiques dans les fibres optiques de ce système à synthèse d’ouvertures de huit pupilles élémentaires a permis l’obtention d’images à très haute dynamique applicable à la très haute résolution angulaire.

Un deuxième volet sur lequel nous sommes fortement investis est la conversion de fréquence de photons d’étoile IR et la réalisation de mesures interférométriques sur des signaux infrarouge convertis dans le domaine visible. L’objectif de ces travaux est la réalisation de dispositifs d’imagerie totalement innovants aux longueurs d’onde de l’infrarouge moyen de 2 à 12 µm (Projet ALOHA ; Astronomical Light Optical Hybrid Analysis). Ces travaux ont été menés dans le cadre d’études R&T financées par le CNES et Thalès Alenia Space, d’appels à projet INSU et ont permis la mise en place de collaborations fructueuses avec différents partenaires internationaux tels que le CFHT (Canada France Hawaii Telescope), l’Université de Paderborn (Allemagne) et le groupe CHARA Array de Georgia State University (USA).

Interféromètre à somme de fréquences. Les champs sont transposés vers le proche infrarouge avant mélange interférométrique.

Systèmes lasers et synthèse de rayonnements cohérents

Nous explorons l’amplification parallèle associée à la combinaison cohérente pour proposer des solutions pour les sources de forte brillance et les sources à impulsions brèves de puissance moyenne élevées. Ainsi, nous concevons et expérimentons des réseaux de lasers couplés mettant en œuvre le principe d’auto organisation pour verrouiller les phases des rayonnements amplifiés en parallèle. Ces travaux ont permis d’obtenir le nombre record de 20 lasers à fibre combinés par auto-organisation dans une cavité originale. Notre équipe conçoit également de nouvelles architectures d’amplification par fibre optique dédiées à la synthèse de puissance par contrôle de la population modale de fibres amplificatrices multimodales (ANR POMAD) ou à la synthèse d’impulsions ultra-brèves amplifiées dans une fibre multicoeur (ANR Multifemto).

Synthèse de rayonnements de forte brillance par combinaison cohérente

Nous concevons également en collaboration avec le laboratoire des sciences et procédés céramiques et traitements de surface (SPCTS UMR 7315), des sources lasers à base de nouveaux composants alliant des propriétés d’amplification et des caractéristiques non-linéaires atypiques de type céramique et vitrocéramique.