Les activités de recherche au COPL

Réal ValléeDirecteur

Journée du COPL, 13 Juin 2005, Université Laval, Québec

Plan de l’exposé

• Le COPL

• Les activités de recherche

Le COPL

• Formation aux niveaux maîtrise et doctorat

• Recherche fondamentale et appliquée

• Support à l’industrie de haute technologie

Mission

Le Centre d’optique photonique et laser (COPL) estun regroupement stratégique (FQRNT) de chercheursde L’Université Laval et de l’École Polytechnique de Montréal ayant pour objectifs:

Chercheurs principaux

• Université Laval• 10 physiciens• 5 ingénieurs électriques• 3 chimistes

• École Polytechnique de Montréal• 5 ingénieurs physiciens

Membres (suite)

•Chercheurs associés et invités (15)

•Stagiaires postdoctoraux (10)

•Étudiants diplomés PhD (??), MSc (??)

•Personnel administratif (5)

•Personnel technique (11)

8795 98 100

117

148 154

179

18 17 16 13 13 18 20 23

0

50

100

150

200

1996

-97

1997

-98

1998

-99

1999

-00

2000

-01

2001

-02

2002

-03

2003

-04

Nombre d'étudiants gradués

Nombre de professeurs

Populations

Diplômes

8

1712 11 9

13

2230

8

6

7 65

8

7

14

0

15

30

45

1996

-97

1997

-98

1998

-99

1999

-00

2000

-01

2001

-02

2002

-03

2003

-04

Nombre de diplômes de doctorat décernés

Nombre de diplômes de maîtrise décernés

Activités scientifiques• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

• Biophotonique

projection of a f - wave

Spectroscopie imageante de photo-électrons et CEISBernd Witzel

CEIS (Combined electron ion spectroscopy)

Xe+

Xe2+

Time of flight

e- beam

electrons :

ions :

60 100 140

60 10060 100 140

ion mass spectrum (q/m)

10-10 41

energy / eV

yield (arb.units)

4f (8+1)5f (8+1)6f (8+1)

4f (8+2)4f (8+3)

nr (9)

10 1013 14

yield (arb.units)

A B C

100

10-2

10-5

10-3

10-4

10-610

12

intensity (W/cm2)

A B C

E

Xe+

ABC

Xe2+

Phys Rev. Lett 89(2002) 223002

nr (9)

Xe2+

Spectroscopie imageante de photo-électrons et CEISBernd Witzel

NOPA – System 505 – 636 nm

1150 nm

0

12

468

10

0

12

468

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Min Max

[1150 nm – 1470nm]

Argon 800 nm 3.8 1013 W/cm2

SAE theoryexperiment

mom

entum[au]

Submitted to PRL (2005)

Phys Rev. A 67(2003) 063405

Phys Rev. A 70(2004) 223002

ALLS

Comparison with theory

Visible

IR TOPAS

UV

Spectroscopie imageante de photo-électrons et CEISBernd Witzel

• On dirige la ligne focale dans unéchantillon de silice.

• Les effets non-linéaires dans la silice y inscrivent un guide d’ondes.

Focalisation par un axiconM. Piché

Un axicon est une lentille conique qui produitun faisceau Bessel avec une ligne focale étroite.

Guides d’ondes sans biréfringence

Focalisation par un axiconM. Piché

1

2

• Des anneaux concentriques colorés sont observés si l’énergie des impulsioexcède un seuil (environ 0.5 mJ avec un axicon de 10°).

• Un continuum apparaît sur l’axe à plus haute énergie (2–8 mJ).

Émission conique et génération de continuumM. Piché

Gaussien

Bessel-Gauss

Faisceau de Bessel-Gauss spatio-temporelN. McCarthy/M.Piché

Microscopie à 2 photons Microscopie à 2 photons avec un avec un axiconaxiconN. McCarthyN. McCarthy

PMT

Vue transverse Image après 1 balayage

zr

xy

xy

Avec l’objectif(somme de 12 balayages)

Avec l’axicon(1 balayage)

30 μm

Diamètre des sphères = 15 μm; Épaisseur de l’échantillon > 1 mm.

Microscopie à 2 photons Microscopie à 2 photons avec un avec un axiconaxiconN. McCarthyN. McCarthy

1. Réseau à pas variable : Λ = Λ(x)

• Permet une syntonisation par translation du réseau:

a) d’une diode laseren cavité externe

b) dans un monochromateurde fabrication maison

x

fented’entrée

fentede sortie

réseau

tΘ

axe de translation

x

HR AR

Diode laserOrdre 0

Ordre -1Réseau

x

Fabrication de réseaux holographiques et applicationsN. McCarthy

667

668

669

670

671

672

673

674

675

0 1 2 3 4 5 6

ConstantVariable

long

ueur

d'o

nde

(nm

)

position x (mm)

2. Réseau à double période :

• Permet une émission laser sur deux longueurs d’onde lorsqu’il est utilisé avec une diode laser en cavité externe.

a) fixe lorsqueΛ1 = cte, Λ2 = cte’

λ

Δλ

b) variable lorsqueΛ1 = cte, Λ2 = Λ2(x)

x

• Les longueurs d’onde sont accordables et l’écart entre elles est:

Fabrication de réseaux holographiques et applicationsN. McCarthy

~1.5 μm

Δnmax ~ 6 x 10-3 at 650 nm

Ti-sapphire laser(800 nm, 1 kHz, 45 fs)

fs OPA: 1 kHz1.5 μm, ~70 fs

screen15 mmObjective (1x-63x)

~100 μJNDF

CCD/digitalcamera

white light

scanwritten track

computer

Input energy ~1-25 μJ, Scan speed ~10-200 μm/s

Refractive index profile*

single filament 6.3x, 50 μm/s, 2 μJ

8.5 μm

2 μm

multi-filament

6.3x, 50 μm/s, 6.5 μJ

Écriture de guides d’onde à 1.5 μmR. Vallée / S.L. Chin

1.3 μJ 1.3 μJ

4.0 μJ

1.5 μm 800 nm

4.0 μJ1.5 μm 800 nm

pair of filaments7 μJ

34 μJ

1.5 μm

1.5 μm

* A. Saliminia et al, Submitted to Optics Express

a bunch of filaments

Focusing inside the glass: breakdown + filamentation at 800 nm vs. pure filamentation at 1.5 μm

Écriture de guides d’onde à 1.5 μmR. Vallée / S.L. Chin

Ti-Sapphire

focusing lensf = 100 mm

50 mm

100 mm1 kHz, 800 nm, 45 fs

cylindrical telescope

+1

-1

0

White light

SMF-28

OSA

phase maskΛm ∼1 μm

Λg = Λm/2

mλB = 2neffΛg , m = 1

Montage expérimental

Écriture de réseaux de Bragg à 800 nmR. Vallée/ S.L. Chin

FBG spectral responsesFFS42, 4sec, 1.2W, smf28, H2, L=5.0mm, d=0.125mm

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1420 1422 1424 1426 1428 1430 1432 1434 1436 1438 1440

Wavelength (nm)

Tran

smis

sion

(dB

)

Écriture de réseaux de Bragg à 800 nmR. Vallée/ S.L. Chin

Activités scientifiques

• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

2θ

RCPLCP

(LCP+RCP) Configuration

2δ

0 π/4 2π/4 3π/4 π 5π/4 6π/4 7π/4 2π

(S+P) Configuration

S P2θ

ZX

Y

Réseaux de polarisation: anisotropie photo-induiteT. Galstian / R. Vallée

0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Δd (μ

m)

Time (hours)

K. Asatryan, T. Galstian, R. Vallée PRL, 94, 87401 (2005).

FP3-Optical fibre components and photonic bandgap structures

Réseaux de polarisation: anisotropie photo-induiteT. Galstian / R. Vallée

Lentille: fabrication et opération

T.V. Galstian, A. Tork, U.S. patent 6,398,981 (2002).

Liquid crystal cell

We use proprietary materialsfor polymer network generation

V.V. Presnyakov, K.E. Asatryan, T.V. Galstian, A. Tork, Optics Express 10, 865-870 (2002)T. V. Galstian, V. V. Presniakov, A. Tork, and K. E. Asatryan, U.S. Patent No. 60/475,900 (2004)V.V. Presnyakov, T.V. Galstian, Journal of Applied Physics 97, 103101 (2005)

x

~U

n – refractiveindex

Laser beam

1 2 3 4 550

100

150

200

250

300

Ur.m.s. (V)

Foca

l len

gth

(cm

)

Longueur focale vs tension appliquée

Lentille entrepolariseurs croisés

Lentille électro-optique à cristaux liquidesstabilisés par polymère T. Galstian

λ1, λ2, λ3, λ4λ1

λ2

λ3

λ4

T.V. Galstian, A. Tork, U.S. patent 6,398,981 (2002).

Matériau holographique sensible à l’IRpour applications multi-λ T. Galstian

FP3-Optical fibre components and photonic bandgap structures

Procédé de fabrication de structures 2-D à base de gouttelettes d’eau R. Kashyap

Diameter = 1.3 µm

Hex. dim.: a1 = 2.73 µm a2 = 2.76 µm

Calculated 2D Band Gap -> 1.85 µm FP3-Optical fibre components and photonic bandgap structures

Procédé de fabrication de structures 2-D à base de gouttelettes d’eau R. Kashyap

FP3-Optical fibre components and photonic bandgap structures

Procédé de fabrication de structures 2-D à base de gouttelettes d’eau R. Kashyap

Templated UV-transparentelastomeric phase-mask

Phase-mask as coating of optical fibre

FP3-Optical fibre components and photonic bandgap structures

Masques de phase à base de polymèresR. Kashyap

Activités scientifiques

• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

Miroir liquide de 3.7 mE.F. Borra

Miroir déformable à base de ferrofluidesE. F. Borra

MELLF(Metal Liquid Like Films)

FerrofluideSuspension colloidale stablede particule magnétique monodomaineenrobées d’un surfactant

Dispositif expérimental• 100 actuateurs• Diam. 5 mm

Simulations numériques (lent. défoc.)

Matrice haxagonale Matrice carrée

Collaboration avec INO

Miroir déformable à base de ferrofluidesE. F. Borra

Ermanno on the moon…

Spectroscopie a Transformée de FourierJ. Genest & P . Tremblay

Principe de fonctionnement

Désalignement axial:

Soumis Appl. Opt. Avril 05

Spectroscopie a TF: Fonction d’appareilJ. Genest & P . Tremblay

• Nouvel algorithme d’intégration: Ajoute la fonction d’appareil (ILS) de FTS à des spectres simulésen N log2(N) opérations.

• Permet de comparer les mesures aux bases de donnéesspectrales (e.g. HITRAN)

• Exemple : Intégration sur transmittance théorique de HBrvs mesure pour différents paramètres instrumentaux

6 mesures HBr pour6 FOV distincts

Position des raies Avant et après correction

Soumis Appl. Opt. Été 05

Sur le même axe spectral

Correction rapide d’ILSJ. Genest & P . Tremblay

• Permet de minimiser la contribution de l’instrument sur les spectres mesurés

• Comparaison directe de spectres provenant de différents pixels d’un spectro-imageur

Microscope hyperspectralJ. Genest & P . Tremblay

• Caméras CCD couplées à un interféromètre

• Imageur 320x256 pixels- 2 caméras

InGaAs : 0.9 - 1.7 µmInSb : 1.5 - 5 µm

• Résolution spectrale1 cm-1

• Résolution spatiale1 à 5 µm

Collaboration étroite avec Telops

Spectre de laser FP @ 1310 nm

Spectroscopie par TF tout fibreJ. Genest & P. Tremblay

•ActuelRésolution 0.3 nmTemps mes. 50 msSNR 30 dB

•ProjetéRésolution 0.02 nmTemps mes. 50 msSNR bruit de photons

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.08

10

12

14

16

18

20

3.5 GHz3e harmonique

ΔtFWHM = 50 ps7.8 GHz6e harmonique

Am

plitu

de [m

V]

Temps [ns]

Coupleur 50/50

Isolateur

Miroir Métallique ou réseau

SOA

z

L2L1

LSOA

1

2

Peigne de fréquence à 10 GHzM. Piché et P. Tremblay

Activités scientifiques

• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

Profil d’apodisation après 325itérations

Spectre de réflectivité(sans saut de phase)

Réseau de Bragg à dispersion minimisée paralgorithme génétique Y. Sheng

Réseau de Bragg à dispersion minimisée paralgorithme d’épluchage de couche Y. Sheng

Spectre de transmission modifié du réseau 1160-1170(OSA Ando), moyenne mobile sur 0.16nm

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

1153 1158 1163 1168 1173

Longueur d'onde (nm)

Tran

smis

sion

(dB

)

Laser à fibre à gain Raman avec FBG à large bande R. Vallée

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50

g 0(W

-1m

-1)

νpump- νStokes (THz)

x 10-3

SiO2and GeO2

at~13 THz

P2O5at

~40 THz

Raman gain in a Phosphorous-doped fiber

1060 nm 1233 nm 1475 nm

40 THz 40 THz

pump (1060 nm)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

1000 1200 1400 1600wavelength (nm)

Tran

smis

sion

1060 nm 1233 nm 1475 nmBranch #1Branch #2loop mirror

Laser à fibre à gain Raman à boucle de SagnacS. Lacroix

Schéma expérimental

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Wavelength(nm)

dBm

/nm

Effets nonlinéaires dans les fibres à gaine trouéeR. Vallée

Collaboration avec INO

Expérience Simulation

SupercontinuumFibre à gaine trouée

Activités scientifiques• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

• Biophotonique

1400 1450 1500 1550 1600 16500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4x 10-10

L’amplification d’un signal laser DFB par un amplificateur C3T3 pour différents courants d’injection

Conception/fabrication/caractérisation de SOAR. Maciejko

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

A)

Tran

smis

sion

[dB]

Wavelength [nm]

R. Slavík, S. Doucet, and S. LaRochelle, "High-performance All-fiber Fabry-Perot Filters with Superimposed Chirped Bragg Gratings", J. of LightwaveTechnol. 21, pp. 1059-1065 (2003).

Fabry-Perot tout-fibreS. LaRochelle

FSR 101.5±3.5Finesse 80±10Pertes 1.5-2.5 dBLongueur 7cmDnp-p=4x10-3

l FP asymétriqueΛ0=534 nmCh=1.25 nm/cmδn1=5.5x10-4

δn2=7.9x10-4

d=z2-z1=2.05 mm

Laser multi-λS. LaRochelle

G. Brochu, S. LaRochelle, and R. Slavik, "Modeling and experimental demonstration of a high-performance compact multi-wavelength fiber laser", IEEE J. of Lightwave Technol, vol.23, no.1, pp.44-53 (2005).

0

1

2

3

20 23 26z (mm)

Fiel

d an

d Im

[k eff]

(a.u

.)

1.544495 μm1.544090 μm

-10-505

101520253035 CBA

Sign

alpo

wer(

dBm

)

Position (mm)

0

50

100

150

200

250

300

350

pp

(Pum

ower

mW

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1528.40 nm (A) 1540.56 nm (B) 1553.75 nm (C)

Pump #1 Pump #2

1530 1535 1540 1545 1550 1555

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Mai

n ou

tput

pow

er (d

Bm

)

Wavelength (nm)

l Résultats expérimentauxUniformité 6 dB p-p½ pics monomodes en polarisation100 ± 7 GHz

Simulations numériques

Laser 32-λS. LaRochelle

l Un design amélioré permet de réaliser des profils de dispersion avec une accordabilité de ±1600 ps/nm.

S. Doucet, S. LaRochelle and M.Morin, "Multi-Channel Tunable Chromatic Dispersion Compensator and Profiler", soumis à ECOC 2005.

l Travaux réalisés en collaboration avec TeraXion (projet PADCO).

l Avec des réseaux de Bragg complexes, conçus par des techniques de diffusion inverse, nous avons démontré un accord de ±600 ps/nm avec un accord indépendant de la dispersion chromatique de chaque canal.S. LaRochelle and S. Doucet, "Device for tailoring the chromatic dispersion of a light signal", US patent, filed on June 6th 2005.

l Les cascades de Gires-Tournois distribués à une cavité sont limitées à des dispersions de ±200 ps/nm (50 GHz FSR, 20 GHz BW).

Égalisateur de dispersion accordableS. LaRochelle

Délai de groupe

Dispersion (32 canaux)

Profils de dispersionS. LaRochelle

Activités scientifiques• Lasers et impulsions ultrabrèves

• Matériaux photoniques

• Imagerie, métrologie et instrumentation

• Optique guidée et fibres optiques

• Communications optiques

• Biophotonique

Génération d’un supercontinuum de lumière blanche dans une fibre

microstructurée. comme source optique pour OCT.

Génération d’un supercontinuum de lumière blanche dans une fibre

microstructurée. comme source optique pour OCT.

Tomographie optique cohérenteR. Maciejko

Après déconvolution

Tomographie optique cohérenteR. Maciejko

Image d'une pelure d'oignon

Images de cœur de poulet obtenues par tomographie OCT

Tomographie optique cohérenteR. Maciejko

Remerciements

• Chercheurs du COPL

• Personnel du COPL

Laser à fibre bleu

Laser intense et ultrarapide

Nano-frabrication optique

Le nouveau centre