Réalisations expérimentales de sources lasers déclenchées passivement à fibres cristallines dopées Erbium

Optimisation expérimentale du milieu à gain optimal 

A  de plonger directement dans la conception de la cavité déclenchée, il est tout d’abord nécessaire d’établir expérimentalement les paramètres optimaux du milieu à gain à l’aide d’une cavité simple fonctionnant en régime continu. On pourra ainsi confirmer le dimensionnement proposé par la simulation, et établir un premier lot de performances avec les cristaux Er:YAG fournis par Fibercryst. La diode de pompe est couplée dans une fibre optique de diamètre 100 µm ouverte à 0,22, et émet une puissance de 14 W à 1470 nm (fig. 3.1). La distance focale de la lentille L1 est de 40 mm, celle de la lentille L2 est de 40 mm ou de 80 mm en fonction du diamètre du spot de pompe souhaité. La cavité est simplement composée de deux miroirs concaves de rayon de courbure de 100 mm : un miroir dichroïque et un miroir de sortie. Les réflectivités de ce miroir 61 Réalisations expérimentales de sources lasers déclenchées passivement à fibres cristallines dopées Erbium partiellement réfléchissant sont de 90% et 80%. Pour d’autres valeurs, les puissances maximales atteintes par le laser sont faibles et ne permettent pas de comparer nettement les différentes fibres cristallines. Diode laser 1470 nm 14 W Fibre coeur 105 µm NA 0,22 L1 L2 Miroir dichroïque ROC = 100 mm Er:YAG Coupleur ROC = 100 mm Fibre cristalline F.

Représentation schématique du banc de test des fibres cristallines

Influence de la longueur et du dopage des fibres cristallines 

On  compare tout d’abord les puissances maximales atteintes en régime continu pour des fibres cristallines de diamètre 800 µm pour plusieurs longueurs et dopages (fig. 3.2). Même si ces résultats ne permettent pas de prédire directement le meilleur dimensionnement du cristal pour le régime déclenché, elles donnent une idée des performances relatives en donnant un majorant de la puissance moyenne que pourrait émettre le laser en régime déclenché. La longueur d’onde d’émission utilisée pour cette comparaison est 1645 nm. Ces majorants seront inférieurs à 1617 nm (fig. 2.19). P u i s s a n c e m a x i m a l e ( W ) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Longueur (mm) 0 10 20 30 40 50 60 1% 0,5% 0,25% F. 3.2 : Puissances maximales atteintes expérimentalement en régime continu en fonction de la longueur de la fibre cristalline (diamètre 800 µm), pour différents dopages (couleurs) et différents coupleurs de sortie (R=90% en pointillés et R=80% en traits pleins). La longueur d’onde d’émission est de 1645 nm dans toutes les configurations testées. Ainsi, les fibres cristallines dopées 1% ne pourront pas produire des impulsions avec une puissance moyenne de 500 mW (la puissance moyenne fixée par le cahier des charges) en régime déclenché. Seule quelques unes en sont capables : les fibres cristallines dopées 0,5% de 30 mm et 40 mm de longueur, et celles dopées 0,25% de 40 mm de long. À priori, les performances en régime déclenché des cristaux dopés 0,5% seront meilleures dans la mesure où la puissance maximale obtenue avec ce taux de dopage est deux fois plus élevées par rapport au dopage de 0,25%. De plus, et toujours dans un soucis de compacité et de réduction de la durée des impulsions, les cristaux plus courts sont privilégiés (30 mm). Les fibres cristallines dopées 0,5% et de longueur 30 mm sont donc celles retenues pour la suite du projet. C’est aussi la configuration optimale suggérée par nos simulations numériques (fig. 2.16). 

Influence du diamètre des fibres cristallines 

Lorsque le diamètre de la fibre cristalline diminue, les simulations numériques prévoient une légère augmentation de l’énergie par impulsion en régime déclenchée (fig. 2.16) ainsi qu’une diminution de la durée des impulsions (fig. 2.18). Nous avons donc élaboré des fibres cristallines de 400 µm de diamètre pour tester expérimentalement cette voie. On compare alors les courbes d’efficacité pour des fibres cristallines de 800 µm et 400 µm de diamètre (fig. 3.3). Pour ces dernières, l’effet laser a été expérimentalement très difficile à obtenir. Leur efficacité sont très faibles par rapport aux fibres de 800 µm de diamètre. Cette observation va à l’encontre de la simulation numérique et de résultats antérieurs [Martial2011] où la réduction du diamètre permettait d’augmenter les performances de la source laser. De plus, le profil transmis par une fibre cristalline de 400 µm d’un faisceau gaussien limité par la diffraction est dégradé (fig. 3.4 (b)). Il existe une certaine dispersion dans les performances atteintes par les cristaux d’Er:YAG. En effet, la synthèse de ces cristaux n’a pas été autant optimisée que celle des cristaux dopés aux ions ytterbium ou néodyme, dont les performances présentent beaucoup moins de dispersion. Toutefois, cette dispersion est relativement faible par rapport aux premiers cristaux utilisés par [Martial2011]. Ceci laisse penser que cette chute pour les fibres de 400 µm provient d’un mauvais alignement ou d’une mauvaise qualité cristalline : d’une part, il est difficile d’aligner le faisceau dans un tel cristal et de s’assurer que son diamètre le long du cristal reste inférieure à 200 µm (sa longueur de Rayleigh est d’environ 70 mm) pour éviter les pertes par diffraction [Didierjean2007]. D’autre part, c’est la première fois que des fibres cristallines de diamètre aussi fin sont synthétisées. Il est donc possible que leur qualité ne soit pas parfaite, ou bien qu’elles soient fléchies dans leur monture en cuivre, ajoutant des pertes passives dans la cavité. Pour les fibres cristallines de diamètre 400 µm (resp. 800 µm), les pertes passives sont estimées, en mesurant leur taux de transmission d’un faisceau gaussien à 900 nm, à 15% (resp. 1%). En conclusion, puisque la puissance maximale obtenue en régime continu avec des fibres cristallines de diamètre 400 µm n’est que de 200 mW, elles ne peuvent pas permettre d’atteindre la puissance minimale de 500 mW moyen en régime déclenché requise par le cahier des charges.

Choix de l’absorbant saturable

Un  absorbant saturable est un composant optique dont la transmission dépend de l’intensité qui le traverse. Il en existe de différents types : miroir à semi-conducteurs (SESAM), films minces de graphène, ou bien cristaux dopés. Le premier critère de sélection d’un absorbant saturable est que sa modulation de pertes doit s’effectuer à la longueur d’onde d’émission du laser. Ainsi, le cristal de YAG dopé au chrome, 3.2. CHOIX DE L’ABSORBANT SATURABLE 65 très utilisé pour déclencher les lasers autour de 1,0 µm, ne peut pas moduler les pertes d’un laser muni d’un cristal d’Er:YAG émettant à 1,6 µm. Il en va de même pour le cristal Co2+:MgAl2O4, très utilisé autour de 1,5 µm. Cette partie présente quelques absorbants saturables possibles pour le déclenchement d’une source laser solide Er:YAG, et justifie le matériau choisi pour le projet Minitélia. Les SESAM et les films de graphène ne sont pas abordés. En effet, leur seuil de dommage optique, respectivement 0,21 J/cm2 [Saraceno2012] et 0,014 J/cm2 [Currie2011] est trop faible par rapport aux densités d’énergie prévues dans la cavité (1-2 J/cm2 ). 

Absorbants saturables pour un déclenchement à 1,6 µm

P  paramètres permettent de choisir un absorbant saturable pour le déclenchement passif d’une source laser. Tout d’abord, le temps de vie du niveau excité τ = 1/A fixe le taux de répétition maximal. Par exemple, s’il est de 200 µs (temps de vie du niveau excité du Co:ZnS), alors la cadence du laser ne peut pas dépasser environ 2,5 kHz (l’inverse de deux fois le temps de vie). En effet, il faut attendre que l’absorbant saturable soit totalement revenu dans son état fondamental pour qu’il puisse déclencher à nouveau proprement la source laser. À l’inverse, si ce temps de vie est trop court, alors les ions de l’absorbant saturable commencent à revenir vers leur état fondamental alors que l’impulsion est toujours à l’intérieur de la cavité. Autrement dit, l’absorbant saturable n’est pas totalement saturé et impose des pertes supplémentaires, réduisant alors l’énergie des impulsions générées.

Le cristal de Cr:ZnSe

Propriétés

 Le  séléniure de zinc ZnSe est un cristal semi-conducteur intrinsèque présentant un gap direct d’une valeur de 2,67 eV à température ambiante [Vivet2008]. Ses utilisations sont multiples : photodétecteur dans le bleu et dans l’ultra-violet, miroirs diélectriques (sur une large bande passante de 0,5 µm jusqu’à 21 µm), ou encore en tant que diode laser dans le bleu. Les ions chrome dopant le ZnSe présentent une structure électronique où la transition 5T2 ↔ 5E (fig. 3.5) permet d’utiliser ce cristal en tant qu’absorbant saturable entre 1,5 µm et 2 µm (cf. 3.6). Cependant, l’absorption d’un photon par un ion déjà excité² peut subvenir et limiter la saturation du cristal. Cette absorption est heureusement faible dans le cas d’un dopage aux ions chrome [Kisel2005]. Les différentes désexcitations qui prennent place dans le multiplet 5E permettent d’obtenir un gain laser sur une large gamme de longueur d’onde entre 2 µm et 3 µm (fig. 3.6). Cette large section efficace d’émission du Cr:ZnSe fait de ce cristal un bon candidat pour concevoir des sources accordables dans l’infrarouge [Page1997, Wagner1999].