This thesis proposes a noise model refinement for spectroscopic measurements using dual optical frequency combs. Until now most studies centered their efforts on noise characterization using chirp free combs based on an unproved hypothesis: measurements would get worse with chirped combs since multiplicative noises would be present over a longer duration on the interference pattern thus leading to a greater impact. However, at least one experimental result hinted to the contrary: differential chirp would actually improve the signal to noise ratio. This thesis therefore aims at increasing the understanding of noise when a differential chirp is present in a dual comb measurement. The specific goal is to provide new insights about the usefulness of chirp in this kind of measurement. With this in mind, we conducted a literature review of noise models in optical frequency combs. We subsequently analyzed the chirp’s effect in the presence of both additive and multiplicative noise. The thesis also proposes a phenomenological model to describe the amplified spontaneous emission - ASE in short pulse lasers mode locked using non linear polarization rotation. Finally the comb spectra and their beat notes are characterized putting special attention to their relation with the ASE components. As conclusions, we can report that noise power spectral density levels do not change with a differential chirp. Chirping allows sending a greater optical power through the sample, such that the measurement signal to noise ratio can be improved. On the other hand, the ASE characterization established its non-stationary nature and explained very well characteristic features routinely observed in dual comb beat notes that were not fully understood. Finally, assuming the ASE experiences a sub threshold linear cavity allows using theses features to estimate the non linear phase shift experienced by the modelocked pulse train in the laser cavity.

Cette thèse porte sur le raffinement d’un modèle du bruit utilisé pour des mesures spectroscopiques réalisées avec des peignes de fréquences optiques. La majorité des travaux antérieurs utilisaient des peignes de fréquences où le glissement (chirp) est minimisé, en supposant que tout glissement différentiel entre les peignes allait réduire le rapport signal sur bruit. L’hypothèse sous-jacente était que l’impact du bruit multiplicatif serait augmenté, le glissement lui permettant d’agir plus longtemps sur le signal d’interférence. Cependant, d’autres recherches indiquaient plutôt contraire : le chirp pourrait améliorer la mesure. Cette thèse cherche à augmenter la compréhension du comportement du bruit lorsque les peignes ont des glissements différentiels. De plus, celle-ci apporte de nouvelles évidences sur l’utilité du chirp dans ce type de mesure. À cet effet, nous avons fait une révision bibliographique des modèles du bruit dans les peignes de fréquences optiques. Ensuite, du point de vue théorique, nous avons analysé les effets du chirp sur les bruits additifs et multiplicatifs. Pour le bruit d’intensité, nous avons proposé un modèle phénoménologique décrivant le comportement de l’émission spontanée amplifiée (ASE) dans un laser à verrouillage de mode par rotation non linéaire de polarisation. Les spectres des peignes et leurs battements ont été caractérisés en portant une attention particulière à leur relation avec l’ASE. La thèse permet de conclure que le chirp différentiel n’affecte pas les niveaux des densités spectrales de bruit. Grâce au glissement différentiel de fréquence, il est possible d’envoyer plus puissance à l’échantillon et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit des instruments à peignes de fréquence. D’un autre côté, la caractérisation de l’ASE a établi sa nature non-stationnaire. Elle a aussi expliqué des attributs spectraux qui sont observés régulièrement dans les signaux de battement des peignes. Finalement, en supposant que l’ASE circule largement dans une cavité opérée sous le seuil, sa caractérisation fournit une méthode pour estimer le déphasage non linéaire que subit le train d’impulsions femtosecondes.

Noise model for a dual frequency comb beat

This memory aims to develop a simple and efficient interferometric system with peigs in order to democratise the use of this new technology. In that statement, the principle of interferometric frequency combines is described as well as referencing techniques. Subsequently, referencing is used to design a time-to-real correction and averaging system. That memory shall set out the optical and electronic system necessary for the construction of such a system. All steps in the design of the correction and averaging algorithm are set out, as well as the various compromises and optimisations made. Finally, experimental measures taken and corrected using the developed system are presented. To date, the measurement of HCN and C --2H2 as well as that of the micro-resonator presented in this memory have the highest noise signal ratio taken by a frequency combine interferometer.

Ce mémoire a pour but le développement d’un système interférométrique à peignes de fréquence simple d’utilisation et performant afin de démocratiser l’utilisation de cette nouvelle technologie. Dans ce mémoire, le principe d’interférométrie par peignes de fréquence est décrit ainsi que des techniques de référencement. Par la suite, le référencement est utilisé afin de concevoir un système de correction et de moyennage temps-réel. Ce mémoire présente le système optique et électronique nécessaire à la réalisation d’un tel système. Toutes les étapes de la conception de l’algorithme de correction et de moyennage y sont exposées ainsi que les différents compromis et optimisations effectués. Finalement, des mesures expérimentales prises et corrigées à l’aide du système développé sont présentées. À ce jour, la mesure d’HCN et de C¬¬2H2 ainsi que celle du micro-résonateur présentées dans ce mémoire possèdent le plus haut rapport signal sur bruit pris par un interféromètre à peignes de fréquence.

Time-to-real correction and averaging for interfererometric measurements by frequency combs 

Correction et moyennage temps-réel pour mesures interférométriques par peignes de fréquence

Architecture, Western (Western countries)

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Noise model for a dual frequency comb beat

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