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Frequency resolved optical gating setup for characterizing amplitude and phase of ultrafast optical pulses.

Castro Fincheira, Francisco Manuel (2013). Frequency resolved optical gating setup for characterizing amplitude and phase of ultrafast optical pulses. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 150 p.

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Résumé

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Le but du système FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) que j'ai développé était d'être utilisé comme référence dans un projet de recherche mené dans notre groupe, dont nous pouvons voir les résultats dans l'article "Sub-picosecond phase-sensitive optical pulse characterization on a chip", publié dans le journal NATURE PHOTONICS LETTERS [50]. Dans cet article, mes collègues montrent comment ils ont construit un appareil capable de caractériser l'amplitude et la phase d'impulsions optiques ultra brèves au moyen d'une impulsion de synchronisation incohérente. L'appareil est basé sur une variante de interférométrie spectrale de phase pour la reconstruction directe du champ électrique (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Field reconstruction, ou SPIDER) qui exploite le mélange dégéné de quatre ondes dans une puce CMOS-compatible. Ce dispositif a permis de mesurer des impulsions ayant une puissance crête [100 mW, une bande de fréquence] 1 THz et des durées d'impulsion jusqu'à 100 ps, produisant un produit temps x largeur de bande > 100. Mon travail a consisté à construire un système FROG pour cette recherche. En conséquence, je n'irai pas plus profondément dans le travail de mes collèges. Dans cc mémoire, je vais expliquer comment j'ai construit le système FROG et comment il fonctionne. Je montrerai aussi des exemples de mesures FROG pour des impulsions laser après leur propagation dans des bobines de fibre optique de différentes longueurs. Développée au début des années 1990 par Rick Trebino et Dan Kane, la technique FROG permet de mesurer l'intensité, I(t), et la phase, Ф(t), d'impulsions ultra-brèves arbitraires, i.e. le champ électrique complexe, E(t), d'une impulsion femtoseconde. En dédoublant l'impulsion à mesurer avec un retard relatif variable, T, puis en croisant les deux impulsions dans un milieu optique nonlinéaire, cette technique, qui utilise des tirs uniques ou multiples, a permis de mesurer des impulsions entre l'UV et le mi-IR, de plusieurs µ J et de plusieurs picoseconde à 9 fs. Le signal résultant du croisement des impulsions est donné par: (équations mathématiques) L'intensité spectrale de ce signal (la trace FROG), (équations mathématiques) est alors mesuré en fonction du délai T. Enfin, un algorithme numérique itératif permet de déterminer l'amplitude et la phase de l'impulsion en fonction du temps et la fréquence à partir de cette trace.

Abstract

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The aim of the Frequency-Resolved Optical Gating (FROG) setup l developed was to be used as performance reference in a research project carried out by the researchers of our group, which we can see the outcomes in the article "Sub-picosecond phase-sensitive optical pulse characterization on a chip", published in the journal NATURE PHOTONICS LETTERS [50]. In this paper, my colleagues show how they built a device capable of characterizing both the amplitude and phase of ultra-fast optical pulses with the aid of a synchronized incoherently related clock pulse. This device is based on a variation of Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction (SPIDER) that exploits degenerate four-wave rnixing in a CM OS-compatible chip. Pulses were measured with a peak power of [100 m W, a frequency bandwidth of ] 1 THz, and up to 100 ps pulse widths, yielding a time bandwidth product of> 100. My work was to build the FROG setup to be used in that research and as a consequence l will not venture any deeper into the work of my colleagues. In this thesis, l 'will explain how l built the FROG setup and how it works. l will also show examples of FROG measurements for pulses having propagated in spools of optics fibers of different lengths. FROG is a simple and practical technique for measuring time-dependent intensity, I(t), and phase, Ф(t), of arbitrary ultrashort pulses, i.e. the full complex electric field, E(t), of an individual femtosecond pulse. This technique was developed in the early 90's by Rick Trebino and Dan Kane. FROG operates on a multi- or single-shot basis and has measured pulses from UV to mid-IR, of many µJ, and from several ps to 9 fs. FROG involves splitting the pulse to be measured into two replicas with variable relative delay, T, and crossing them in any nonlinear optical medium. The signal field resulting from the crossing is given by : (mathematical equations) The spectral intensity of this signal (the "FROG trace") : (mathematical equations)is then measured vs. the delay T. Then, a numerical algorithm retrieves the pulse intensity and phase vs. time and frequency from this trace.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Ozaki, Tsuneyuki
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: système FROG; Frequency-Resolved Optical Gating; construction; fonctionnement; mesure; impulsion laser
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 déc. 2014 21:38
Dernière modification: 11 nov. 2015 21:11
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2424

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