Stimulated Raman scattering in the evanescent field of nanofibers

par Liye Shan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Jonathan.

Soutenue le 19-12-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (1998-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) et de Laboratoire Charles Fabry / Manolia (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Diffusion Raman stimulée dans le champ évanescent de nanofibres


  • Résumé

    Cette thèse porte sur les mélanges d’onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l’interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée« évanescente », nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d’interaction. Les conditions d’adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu’à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l’éthanol dans le champ évanescent d’une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire.


  • Résumé

    The present PhD thesis explored nonlinear wave mixing with the strong evanescent field of nanofibers. The focus has been on the effect of stimulated Raman scattering which is activated by the interaction between such a strong evanescent field and the nonlinear liquid surrounding the nanofiber. In order to observe the stimulated Raman scattering, we investigated the nonlinear modeling to determine the needed characteristics of the nanofibers. The modal Raman gain was calculated to determine the optimal radius of nanofibers for each possible liquid. Considering the critical power and the damage threshold of our nanofibers, we found the minimum required interaction length. The condition of adiabacity of the tapers was also described. These specifications of nanofibers guide us towards the design of a proper pulling system. Several pulling systems and techniques are investigated for the fabrication of our specific nanofibers. We now are able to fabricate low loss uniform nanofibers of up to 10 cm long, a diameter down to 200 nm, with two identical low loss tapers by using our own designed translation stage pulling platform and implemented with the “variable heat brush” technique. With the achieved nanofibers, the Raman effect induced in the evanescent field was observed in both pure (ethanol) and binary mixture (toluene in ethanol) liquids. These first measurements are in good agreement with our simulation even without any fitting parameters in the modeling.


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