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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