Generation of ultrashort laser pulses via vibrational stimulated raman scattering and their characterization using frequency resolved optical gating (FROG)

Talaeinalous, Shadieh (2025). Generation of ultrashort laser pulses via vibrational stimulated raman scattering and their characterization using frequency resolved optical gating (FROG) Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maitrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 67 p.

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Résumé

Les sources laser ultracourtes de haute puissance jouent un rôle crucial dans un large éventail d'applications, notamment la conversion de fréquence non linéaire, les applications médicales, la spectroscopie ultrarapide et l'usinage de matériaux de précision. L'accès à des sources laser ultracourtes et accordables couvrant une gamme spectrale différente à l'aide de plusieurs sources laser ultracourtes n'est pas idéal en raison des contraintes de coût et d'espace. De nombreux systèmes utilisent des techniques de conversion de fréquence non linéaire, comme l'amplification paramétrique optique (APO), pour étendre l'accordabilité d'une source laser unique. Cependant, l'APO est une configuration à plusieurs étages, nécessitant un alignement précis, des conditions d'accord de phase et une synchronisation entre les impulsions de pompage et d'amorçage pour assurer un fonctionnement stable et efficace. Une autre approche consiste à utiliser la diffusion Raman stimulée par vibration (RSS), qui permet un décalage de fréquence par vibrations moléculaires. Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation de fibres à coeur creux remplies de gaz (HCF) comme plateforme pour une conversion de fréquence et une compression d'impulsions efficaces basées sur la SRS. Cette méthode permet de générer des impulsions ultracourtes de haute énergie en utilisant le méthane (CH₄) comme milieu actif Raman. L'étude se concentre sur la génération et la caractérisation d'impulsions laser infrarouges ultracourtes par SRS vibrationnelle dans des HCF remplis de gaz, avec des diagnostics temporels et spectraux effectués par FROG (Frequency-Resolved Optical Gating). Des impulsions de pompe picosecondes ont été utilisées pour exciter la SRS vibrationnelle tout en évitant l'automodulation de phase (SPM) en élargissant les impulsions de pompe initiales de 60 fs jusqu'à 3 ps. La compression First Stokes (FS) a été optimisée à l'aide d'un élément dispersif à dérive de fréquence positive, comme des fenêtres optiques en ZnSe. Cette thèse met en évidence l'efficacité du CH₄ comme milieu actif Raman pour générer des sources lumineuses infrarouge proche décalées en fréquence de haute énergie. Cette approche permet la génération d'impulsions femtosecondes accordables de haute énergie, offrant des avantages significatifs pour le développement de systèmes laser ultrarapides compacts et évolutifs.


High-power, ultrashort laser sources play a crucial role in a wide range of applications, including nonlinear frequency conversion, medical applications, ultrafast spectroscopy, and precision materials processing. Accessing ultrashort and tunable laser sources covering a different range of the spectrum using several ultrashort laser sources is not ideal due to cost and space limitations. As an alternative way, many systems employ nonlinear frequency conversion techniques—such as optical parametric amplification (OPA)—to extend tunability from a single laser source. However, OPA is a multistage setup, requiring precise alignment, phase-matching conditions, and synchronization between the pump and seed pulses to ensure stable and efficient operation. An alternative approach is using vibrational Stimulated Raman Scattering (SRS), which enables frequency shifting through molecular vibrations. In this thesis, we investigate the use of gas-filled hollow-core fibers (HCFs) as a platform for efficient SRS-based frequency conversion and pulse compression. This method enables the generation of high-energy, ultrashort pulses using methane (CH₄) as the Raman-active medium. The study focuses on the generation and characterization of ultrashort infrared laser pulses via vibrational SRS in gas-filled HCFs, with temporal and spectral diagnostics performed using Frequency-Resolved Optical Gating (FROG). Picosecond pump pulses were used to excite vibrational SRS while avoiding self-phase modulation (SPM) by broadening 60-fs initial pump pulses to up to 3 ps. First Stokes (FS) compression was optimized using a positively chirped dispersive element, such as ZnSe optical windows. This thesis highlights the effectiveness of CH₄ as a Raman-active medium for generating high-energy frequency-shifted near infrared (NIR) light sources. The approach enables the generation of high-energy, tunable femtosecond pulses, offering significant advantages for the development of compact and scalable ultrafast laser systems.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Légaré, François
Mots-clés libres:	Lasers ultrarapides ; Automodulation de phase (SPM) ; Diffusion Raman stimulée (SRS) ; Premier Stokes (FS) ; Déclenchement optique résolu en fréquence (FROG) ; Fibre à coeur creux (HCF) ; Élargissement spectral induit par des gaz actifs en Raman comme le méthane (CH4) ; Ultrafast lasers ; Self-phase modulation (SPM) ; Stimulated Raman Scattering (SRS) ; First Stokes (FS) ; Frequency resolved optical gating (FROG) ; Hollow core fiber (HCF) ; Spectral broadening induced by Raman-active gases like Methane (CH4)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	01 mai 2026 19:56
Dernière modification:	01 mai 2026 19:56
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17160

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