Generation of continuum with coumarine dye laser in 100 meters 9/125 monomode fiber

Generation of continuum with coumarine 3 dye laser in 1 km meters 9/125 monomode fiber

Un supercontinuum est généré lorsque des effets non-linéaires agissent ensemble pour élargir
le spectre de la source d’origine. Il existe plusieurs possibilités de mise en œuvre comme le montre
l’article de Dudley et al. en utilisant une propagation en espace libre ou guidée.Le milieu non linéaire le plus favorable à la génération de supercontinuum est la fibre optique, qui
présente l’avantage décisif d’offrir une trés grande longueur d’interaction et un fort confinement
de l’énergie en comparaison des cristaux non linéaires. La structure même du matériau vitreux,
qui compose la plupart des fibres optiques classiques (fibres en silice dopée), possède également
une non-linéarité du troisième ordre qui est généralement plus faible que celle des cristaux
deuxième ordre) mais qui peut être exacerbée avec diférents dopages. Dans ces conditions, la
propagation guidée est un apport fondamental dans l’obtention des conversions de fréquences
qui sont à la base de la génération de supercontinuum.

Le mélange à quatre ondes est un phénomène non linéaire conduisant à des conversions de
fréquences nécessitant deux conditions particuliéres : l’accord de phase et la conservation de
l’énergie. Deux photons de fréquences ω1 et ω2 (pompes) disparaissent en créant deux autres
photons, appelés Stokes et anti-Stokes, de fréquences ω3 et ω4

1) Principes et limites

Les supercontinua sont produits par l’enchaînement de processus non linéaires (self-phase modulation, four-wave mixing, Raman stimulé, modulation instability, filamentation en milieu bulk…). Avec des impulsions longues (ns) les mécanismes dominants sont souvent la Stimulation Raman et les effets de modulation d’instabilité (MI) plutôt que la simple solitonique que l’on utilise avec fs/ps. Physical Review+1.
Historiquement, des expériences avec des impulsions nanosecondes (10–20 ns, Q-switched dye/Nd:YAG) ont produit des continua larges (ex. 400–2100 nm selon conditions), mais en demandant des puissances de crête très élevées et en faisant face au risque d’endommagement de la fibre. Wikipédia+1.
Les continua obtenus avec ns sont en général moins cohérents et plus « ligneux » (composantes Raman/Peaks) que ceux issus de pulsed fs, mais restent très utiles (sources blanches, spectroscopie, etc.). rp-photonics.com+1.

2) Conditions numériques simples (ordre de grandeur)

Pour une impulsion de 10 ns, l’énergie nécessaire pour obtenir une puissance de crête donnée est :
$\approx P_{\text{crête}}\times \tau$ .
Exemple : 10 kW de crête × 10×10⁻⁹ s = 0.1 mJ. Donc quelques 0.1 mJ → mJ d’énergie par impulsion donnent des pics de kW–100 kW selon l’amplification. Des expériences historiques couplaient des dizaines à centaines de kW en crête. Wikipédia+1.
Attention : pour la fibre, la densité de puissance en entrée (puissance de crête / aire effective du mode) détermine si la fibre brûle ou non. Il faut donc adapter le mode field diameter ou utiliser des fibres à grand mode (LMA PCF) ou coupler dans un bulk (saphir, YAG) pour filamentation contrôlée. NKT Photonics+1.

3) Choix du milieu non linéaire

Options courantes (avantages / inconvénients) :

Photonic Crystal Fiber (PCF) / Highly Nonlinear Fibre (HNLF) : très utilisé ; permet d’ajuster la longueur d’onde de dispersion zéro (ZDW) pour favoriser l’étendue spectrale ; attention au seuil d’endommagement et à la longueur de fibre (très courte pour ns). Exemples historiques de SCG avec ns dans PCF/HNLF. NKT Photonics+1.
Fibre à grand cœur (LMA) / multimode spécialisée : réduit densité de puissance, permet plus d’énergie couplée sans endommager, mais la dynamique spectrale change (modes multiples).
Milieu bulk (saphir, verre, cristal) : possible via filamentation/ionisation pour ns si l’énergie est très élevée ; utile si vous voulez éviter l’endommagement de fibres, mais l’optique d’un système solide demande une gestion thermique et optique stricte. Nature.

4) Stratégie pratique recommandée (procédure expérimentale)

Définir la longueur d’onde du pompe (ex. 1064 nm Nd:YAG Q-switched ou 532 nm, selon disponibilité). Le choix doit prendre en compte la ZDW de la fibre : si vous pouvez choisir une PCF dont la ZDW est proche de votre pompe, la génération sera plus efficace. NKT Photonics.
Énergie et puissance de crête : visez des impulsions de l’ordre de 0.1–10 mJ (selon système) pour 10 ns afin d’atteindre kW → centaines de kW pic. Commencez bas et montez progressivement pour éviter d’endommager la fibre. (Calcul simple : 1 mJ / 10 ns = 100 kW pic.) Wikipédia.
Couplage : utiliser optique adaptée (objectif à faible aberration) pour optimiser le couplage vers la fibre ou focaliser dans le bulk. Surveillez la puissance reflétée et l’efficacité de couplage. Des pertes élevées chauffent les optiques. NKT Photonics.
Choix de la fibre / longueur : commencez par courtes longueurs (quelques cm à quelques dizaines de cm selon nonlinéarité) pour limiter l’absorption et l’endommagement ; pour ns la longitudinale d’interaction utile peut être différente que pour fs. Utilisez PCF/HNLF avec ZDW appropriée. opg.optica.org+1.
Gestion thermique et répétition : si vous avez un taux de répétition élevé, la chaleur peut s’accumuler ; refroidissement / faible PRR peut être nécessaire. rp-photonics.com.
Mesures : utilisez un spectromètre/OSA couvrant la gamme souhaitée, filtre d’atténuation neutre, et des diodes/photodiodes pour vérifier la puissance. Inspectez la fibre après chaque essai pour détecter micro-brûlures. NKT Photonics.

5) Exemples / antécédents

Des expériences des années 1970–1990 ont montré des continua larges en pumpant des fibres avec des lasers Q-switched (10–20 ns) ; plusieurs publications et revues couvrent ces expériences historiques et les analyses théoriques des différentes régimes. Wikipédia+2opg.optica.org+2.
Enseignements récents et revues montrent qu’il y a un regain d’intérêt pour l’utilisation de régimes non-classiques (burst mode, pulses longs) en SCG, et que des fibres ou milieux sur-mesure facilitent la génération. ScienceDirect+1.

6) Avantages / inconvénients des impulsions 10 ns

Avantages : possibilité d’énergies par impulsion plus élevées sans amplificateur complexe, coût potentiel plus faible (laser Q-switched), bon pour certaines applications où la cohérence n’est pas critique. Axiom Optics.
Inconvénients : spectre souvent moins cohérent / plus de raies Raman, risque d’endommagement de la fibre, gestion thermique, plus difficile d’obtenir un continuum plat et très lisse (comparé à fs).

Laser à colorant COUMARINE 1 avec un télescope 10X réglable en divergence au moyen de la vis micrométrique permettant d’avancer ou reculer la lentille bi-concave de -4mm. La lentille de sortie plan – convexe +40mm est elle fixe !

Expérience en attente des coupleurs de fibres.Pour le pompage avec des impulsions picosecondes ou nanosecondes, la diffusion Raman et le mélange à quatre ondes joue un rôle essentiel.

Les mécanismes physiques derrière la génération de supercontinuum dans les fibres dépendent beaucoup de la dispersion chromatique et de la longueur de la fibre (ou d’un autre milieu non linéaire), de la durée de l’impulsion, de la puissance de crête initiale et de la longueur d’onde de la pompe.

Lorsque des impulsions femtosecondes sont utilisées, l’élargissement spectral peut être principalement causé par la modulation auto-phasée. Dans le régime de dispersion anormale, la combinaison de la modulation auto-phase et de la dispersion peut conduire à une dynamique de soliton compliquée, y compris la division de solitons d’ordre supérieur en plusieurs solitons fondamentaux

Generation of continuum with coumarine 3 dye laser in 150 m meters 50/125 multimodes fiber

Super — merci pour les paramètres précis. Je fais un calcul direct (et je donne l’interprétation pratique) pour répondre à « quelle est la longueur minimale » pour que des effets non linéaires significatifs apparaissent dans votre fibre multimode 50/125 en pompant à 450 nm avec 10 µJ / crête 4 kW / 20 Hz

https://chatgpt.com/c/68f4ad5b-d230-8330-b4b5-e180e899da63

2. Pourquoi cela fonctionne

Malgré la faible intensité par unité de surface comparée aux régimes femtosecondes, plusieurs mécanismes se cumulent dans 100 m de fibre :

Self-Phase Modulation (SPM)
→ première étape d’élargissement autour de 450 nm.
Raman stimulé (SRS) et Brillouin
→ transfert d’énergie vers des longueurs d’onde plus longues (rouge/orange).
Diffusion intermodale (fibre multimode)
→ couplage entre modes de propagation, ce qui crée de nouvelles composantes spectrales et homogénéise le continuum.
Longue fibre (100 m)
→ accumulation des effets non linéaires même avec une intensité modérée.
Durée d’impulsion ns
→ régime quasi-cw permettant le développement du Raman, souvent responsable d’un continuum assez stable.

Résultat : supercontinuum visible, typiquement 430–700 nm, parfois au-delà selon la fibre.

3. Ton montage est cohérent

Énergie par pulse (10 µJ) suffisante pour exciter le non-linéaire sans détruire la fibre.
Fibre multimode : grande tolérance au couplage et à la puissance.
Longueur (100 m) : très favorable au développement du continuum.
Laser à 450 nm : bon compromis entre transmission du verre et non-linéarité (n₂ de la silice encore élevé dans le bleu).

4. Points à surveiller / optimiser

Stabilité spectrale → la multimodalité rend le spectre sensible à l’alignement et au couplage.
Solarisation → à 450 nm, les fibres standards peuvent s’assombrir avec le temps ; choisir si possible une fibre visible/UV-grade.
Répétition & échauffement → si tu montes la cadence, surveille la température aux connecteurs et la décoloration du cœur.
Mesure spectrale → un simple spectromètre (300–800 nm) permettra de quantifier la largeur réelle du SC.

5. En résumé Ton résultat est totalement plausible et intéressant :

Tu as obtenu un supercontinuum visible à partir d’un laser à colorant nanoseconde, via SPM + Raman dans une fibre multimode longue — un régime différent des supercontinuums femtosecondes, mais parfaitement reconnu en recherche (continuum incohérent visible).

Si tu veux, je peux t’aider à :

Estimer la largeur spectrale attendue (en nm) en fonction de la longueur de fibre et de la puissance,
ou simuler le développement SPM + Raman dans ta fibre pour voir comment ton spectre devrait évoluer (numériquement, avec tes paramètres réels).

Souhaites-tu que je te fasse cette estimation ou une simulation simplifiée ?

J’ai aussi tracé Δλ_SPM vs L pour trois valeurs d’A_eff (A_eff, A_eff/2, A_eff/5) — la broadening SPM augmente fortement si l’aire effective diminue.

Interprétation

— que disent ces chiffresCohérence P₀ : la valeur P₀ calculée à partir de l’énergie et de la durée (gaussienne) est ≈ 11.7 kW, très proche de ton 10 kW — donc les valeurs d’entrée sont cohérentes.

SPM mono-mode (estimation simple) :
- Pour A_eff ≈ aire du cœur, la SPM seule prédit quelques centaines de pm → quelques nm pour L ≤ 1 m, puis quelques dizaines de nm à 10 m et >100 nm pour L = 50–100 m.
- Conclusion : avec 200 fs et P₀ ~ 10 kW, la SPM cumulée sur dizaines-mètres peut déjà produire un élargissement spectral substantiel (dizaines à centaines de nm) si la lumière demeure bien confinée (A_eff plus petit augmente encore Δλ).
Nonlinear phase φ_NL : pour L = 100 m et P₀ = 10 kW, φ_NL ≈ 80 rad (très grand) — cela signifie forte accumulation nonlinéaire et donc fort potentiel d’élargissement spectral et d’autres effets non linéaires (auto-focusing local, modulation d’amplitude, etc.).
Raman stimulé (SRS) :
- Le seuil estimé $P_{th}$ décroit comme 1/L. Pour L = 50 m, P_th ≈ 6.3 kW, pour L = 100 m P_th ≈ 3.14 kW. Ton P₀ (10 kW) est au-dessus du seuil SRS pour L ≥ ~50 m → SRS sera actif et transférera de l’énergie vers les Stokes (longueurs d’onde plus grandes).
- Donc ton continuum sera probablement une combinaison de SPM (élargissement symétrique), SRS (transfert vers le rouge) et d’autres couplages.
Multimodalité (fibre 50/125) : la fibre est multimode à 1030 nm ; des effets inter-modaux (mélange modal, intermodal four-wave mixing, spatio-temporelle) peuvent fortement modifier le spectre, souvent en l’élargissant et en le rendant moins cohérent. Les valeurs ci-dessus sont issues d’un modèle mono-mode simple — en multimode, l’élargissement généralement augmente (mais devient moins prévisible).

Conclusion synthétique

Oui, avec tes paramètres (1030 nm, 200 fs, 2.5 nJ, P₀ ≈ 10 kW) et 100 m de fibre 50/125 µm on s’attend physiquement à obtenir un supercontinuum visible / proche-IR très large — pour trois raisons principales :
1. SPM important (φ_NL élevé) accumulé sur longues distances → large Δλ (centaines de nm possibles).
2. SRS sera déclenché pour L ≳ 50 m (P₀ > P_th) → énergie transférée vers le rouge et étalement spectrale.
3. Effets multimodes favorisent un broadened encore plus fort (et spectrum incohérent/instable).
En bref : configuration favorable pour générer un continuum large, mais spectre probablement non-cohérent et sensible au couplage/modal content.

Remarques pratiques & recommandations

Si tu veux un SC large & cohérent, privilégie : PCF single-mode adaptée au 1 µm (ZDW proche de 1030 nm), ou réduire A_eff (fibres très nonlinéaires).
Si tu veux un continuum large mais peu cher/robuste, ta configuration multimode+longue peut marcher bien — surveille la stabilité spectrale et la dégradation de la fibre.
Mesures utiles : spectromètre 400–1700 nm, caméra CCD pour profil modal, mesure de l’énergie Stokes (Raman) pour confirmer.
Sécurité : pulses fs + haute intensité — attention aux dommages aux connecteurs/facettes si tu focalises mal.
Si tu veux, je peux :
- recalculer avec un A_eff précis si tu donnes MFD ou modal area réelle ;
- estimer la largeur attendue en nm pour des A_eff spécifiques (je l’ai déjà tracé pour 3 A_eff) ;
- proposer une configuration PCF (ZDW, L, P₀) pour obtenir un continuum cohérent.

Souhaites-tu que je relance les chiffres avec une valeur d’A_eff spécifique (par ex. MFD = 20 µm, 10 µm, etc.) ou que je te fasse un tableau comparatif A_eff vs Δλ à 100 m ?

Vous avez dit :

dans le calcul ci-dessus le supercontinuum commence à quelle longueur d’onde et fini à quelle autre longueur d’onde ?

Bonne question — voici une réponse directe, chiffrée, et honnête sur les incertitudes.

Rappel rapide : que représente la valeur calculée ?

Dans le calcul précédent j’ai estimé une déviation spectrale maximale instantanée due à la SPM, notée $Δλ\Delta\lambda$ . C’est approximativement la décalage maximal par rapport à la longueur d’onde porteuse (i.e. décalage d’un côté du pic). Le largeur spectrale totale attendue par SPM seule serait alors approximativement $2Δλ2\Delta\lambda$ (symétrique autour de 1030 nm), en admettant un broaden homogène et sans autres effets asymétriques.

Important : en pratique, SRS (Raman) pousse de l’énergie vers le rouge, et la fibre multimode produit un mélange modal qui rendra le spectre asymétrique — la limite rouge peut donc s’étendre au-delà de la prédiction SPM symétrique. Les pertes de la silice et la transmission de la fibre limitent aussi physiquement les bords.