Structure des fibres optiques dopées aux ions terres rares

Structure des fibres optiques dopées aux ions terres rares

Les fibres optiques sont des guides d’onde en silice dont la fenêtre de transparence permet de guider la lumière de l’infrarouge aux ultraviolets en passant par le spectre visible. La géométrie de ce guide ainsi que le profil radial de son indice de réfraction lui confère des propriétés particulières. Le dopage du guide avec des ions terres rares par exemple permet d’amplifier par émission stimulée la lumière guidée dans ce guide d’onde.
Fibres optique à cœur strictement monomode : Dans le cas le plus simple, une fibre optique est constituée d’un cœur en silice dopé (aux ions germanium pour les fibres passives, aux ions Lanthanides pour les fibres actives) à l’indice de réfraction plus élevé que la gaine de silice qui l’entoure. Le saut d’indice de réfraction forme le guide d’onde. Une gaine mécanique en polymère assure la résistance mécanique de l’ensemble aux courbures.
La lumière se propage dans le cœur par réflexion totale interne. Les lois de Snell-Descartes régissent ce phénomène et il est aisé de définir un angle critique à partir duquel les faisceaux ne sont plus guidés. Fibres optique à Large Aire Modale (LMA) : Les fibres LMA pour Large Mode Area sont des fibres caractérisées par un cœur de grande dimension. Avec les technologies classiques de MCVD (pour Modified Chemical Vapor Deposition) la réalisation des fibres optiques dopées ne permet pas de maitriser de manière précise la différence d’indice entre cœur et gaine pour que l’émission de ces fibres reste monomode [BRO 99]. Ceci se traduit par la perte du caractère monomode du cœur et donc par une distribution spatiale de la puissance difficilement prévisible et ne correspondant pas à un profil exploitable pour de nombreuses applications. De plus, cette distribution spatiale est bien souvent « aléatoire » car correspondant au couplage de l’énergie entre les différents modes transverses guidés par le cœur. Ce couplage entre les modes est modulé par les contraintes extérieures telles que les évolutions de la biréfringence et des micro-courbures de la fibre induits par les effets thermiques et mécaniques liés au phénomène d’amplification (défaut quantique) mais aussi de l’environnement.

Fibres optique à Maintien de Polarisation (PM)

De nombreuses applications lasers ainsi que de nombreux composants nécessitent un contrôle et une très bonne définition de l’état de polarisation du faisceau laser selon un axe privilégié. Deux structures de fibres permettent de répondre à ce besoin : Les fibres à maintien de polarisation, Les fibres polarisantes. La symétrie cylindrique des fibres à maintien de polarisation est rompue volontairement par exemple par ajout de barreaux de contrainte de très bas indice (barreaux de bore) dans le cas des fibres de technologie saut d’indice. Dans le cas des fibres micro-structurées, la rupture de géométrie peut également être réalisée par la modification des dimensions d’une paire de trous de part et d’autre du cœur. La structure des fibres polarisantes (Pz) non seulement, maintien un état de polarisation de l’onde guidée, mais interdit les autres états de polarisation. En effet, le dimensionnement de ses barreaux conduit à générer des pertes importantes aux états de polarisations rejetés aux cours de la propagation de l’onde laser le long de la fibre. Les fibres Pz garantissent des extinctions de polarisation dépassant 30dB.

Fibre optique double gaine

La réalisation de ces fibre permet de s’affranchir d’une limite technologique : la brillance limitée des diodes de pompe. La gaine de pompe est un second guide d’onde de dimension supérieure au guide de cœur. Il permet de propager la pompe tout au long de la fibre et ainsi de maintenir l’inversion de population indispensable à l’effet laser. La gaine de pompe est un guide multimode dont la dimension et l’ouverture numérique doit permettre : de coupler un maximum de pompe pour réaliser des lasers puissants. de réaliser un pompage homogène tout le long de la fibre.
Si la gaine est trop large, les interactions entre le faisceau de pompe et les ions du cœur ne suffisent pas à réaliser un transfert efficace de l’énergie de la pompe vers l’onde signal. Plusieurs section de gaine ont été réalisées (méplat sur la gaine, gaine hexagonale ou carrée…) afin d’homogénéiser le faisceau de pompe, et ainsi de minimiser la fraction se propageant sans recouvrement avec le cœur. Dans le cas d’une fibre à barreaux de contraintes garantissant le maintien de la polarisation par biréfringence, la présence des barreaux suffit à rompre la symétrie de révolution.
Il est indispensable de conférer à cette gaine de pompe l’ouverture numérique suffisante pour coupler la puissance de pompe nécessaire.
En pratique, l’ouverture numérique de la gaine de pompe est obtenue en utilisant un polymère bas-indice, un revêtement métallique ou Téflon, ou encore une gaine majoritairement en air (Air clad).

Architectures lasers à fibres dopées aux ions terres rares

Une émission laser est obtenue par amplification de la lumière grâce à l’émission stimulée. La condition préalable à l’émission stimulée est l’inversion de population obtenue par l’apport d’énergie par pompage. Pour que l’émission laser soit portée à haute puissance, deux stratégies s’offrent à nous lors de la conception. La première consiste à placer le milieu amplificateur (fibre optique dopée avec des ions actifs), siège des émissions stimulées, entre deux miroirs formant une cavité résonnante dans laquelle l’onde lumineuse bénéficie d’un gain faible à chaque oscillation. C’est le grand nombre d’oscillations qui amène l’oscillation laser à forte puissance. L’architecture ainsi formée est une cavité laser.
Une autre stratégie consiste à profiter de la possibilité d’utiliser de grandes longueurs de fibre active en guise de milieu amplificateur. Dans ce cas, un seul passage au travers du milieu à gain permet de porter l’oscillation laser à haute puissance. Cette architecture est un amplificateur optique.
Pompage des lasers à fibre : L’inversion de population des fibres optiques dopées est obtenue par pompage optique à l’aide de sources laser auxiliaires. Dans la majorité des cas ces sources auxiliaires sont des diodes lasers.
Pompage cœur : Le schéma le plus simple et le plus efficace consiste à propager l’onde de pompe et l’onde signal dans le même cœur comprenant les ions actifs. Les efficacités de conversion pompe vers signal laser sont très élevées dans ce cas (>90%, proche du défaut quantique) car le recouvrement entre l’onde signal et l’onde de pompe est maximal. En revanche, le pompage dans le cœur nécessite d’utiliser une source de pompe limitée par la diffraction sinon les pertes par couplages font chuter brutalement le rendement du système. Des diodes lasers couplées sur des fibres monomodes sont disponibles à de nombreuses longueurs d’onde mais leur niveau de puissance reste limité avec une puissance maximale de l’ordre du watt. L’utilisation d’une source laser (à fibre ou à cristaux massifs) auxiliaire dont l’émission laser est couplée dans le cœur de la fibre amplificatrice peut être une solution mais elle complexifie le système.

Limites intrinsèques aux fibres laser

Tenue au flux : Les fibres amplificatrices sont des guides d’onde dans lesquels l’intensité de l’onde laser générée ou amplifiée reste confinée dans le cœur. Comme tous les matériaux, la tenue au flux de la matrice des fibres est définie par une intensité lumineuse à partir de laquelle des mécanismes de dégradation de la matrice détériorent les propriétés optiques, mécanique et structurelles de celle-ci. Ce seuil de dommage varie selon la longueur d’onde, le régime de durée du laser (continu, ns, ps, fs), le taux de répétition dans le cas d’un laser impulsionnel, du lieu du dommage (face de fibre, dans la masse du matériau…) et il peut être considérablement abaissé par la présence d’impuretés, d’inhomogénéité, de dopants ou de défauts de surface. Seul l’ordre de grandeur est ici à retenir pour évaluer la limitation que ce seuil impose.
Photo-noircissement : Le phénomène de photo-noircissement correspond à une dégradation sur le long terme de l’efficacité de la fibre amplificatrice. Ceci peut menacer la fiabilité des sources lasers mais également en limiter la puissance de sortie. Les mécanismes de cette dégradation photochimique sont quelque peu complexes. Il prend effet dès lors que deux ions ytterbium se trouvent simultanément dans l’état excité. Leur énergie peut alors être transmise à un troisième ion qui absorbe cette haute énergie et atteint ainsi un niveau énergétique excité correspondant à un gap UV. La désexcitation de cet ion s’ensuit de l’émission d’un photon ultraviolet qui ionise des atomes appelés précurseurs de la matrice silice, formant ainsi des électrons libres et des trous. Ces excès et ces défauts d’électrons sont à leur tour piégés par des défauts de la matrice formant des centres colorés très absorbants dans le spectre visible et proche infrarouge. Ce sont les phénomènes d’absorption de ces centres colorés qui sont responsables du défaut d’efficacité des sources lasers. Plus le nombre de centres colorés est important, plus les phénomènes d’absorption sont élevés.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : LASERS A FIBRE ET CONVERSION DE FREQUENCE
I. Introduction
II. Principes des lasers à fibre optique dopées aux ions terres rares
A. Structure des fibres optiques dopées aux ions terres rares
1. Fibres optique à cœur strictement monomode
2. Fibres optique à Large Aire Modale (LMA)
3. Fibres optique à Maintien de Polarisation (PM)
4. Fibre optique double gaine
B. Architectures lasers à fibres dopées aux ions terres rares
1. Pompage des lasers à fibre
2. Pompage cœur
3. Pompage double gaine
C. Cavité laser à fibre dopée aux ions terres rares
1. Principe des cavités lasers à fibre
2. Bruit d’intensité des cavités lasers à fibre
D. Amplification en Puissance d’un Oscillateur Maître (MOPA)
1. Principe des architectures MOPA
2. Bruit d’intensité des architectures MOPA
III. Limitations des lasers à fibre optique dopées aux ions terre rare
A. Limites intrinsèques aux fibres laser
1. Tenue au flux
2. Photo-noircissement
3. Limitation de la puissance de pompe couplée dans la fibre dopée
4. Energie extractible
5. Accordabilité
B. Effets non linéaires dans les lasers à fibre
1. Diffusion Brillouin stimulée
2. Diffusion Raman
3. Auto-modulation de phase
4. Modulation de phase croisée
5. Absorption multiphotonique
6. Mélange à 4 ondes
IV. Conversion de fréquence des lasers à fibre
A. Origines des effets non linéaires
B. Limitation des effets non linéaires dans les matériaux transparents et longueur de cohérence
C. Condition d’accord de phase
1. Accord de phase dans les cristaux biréfringents
2. Quasi accord de phase dans les cristaux à alternance de polarisation
D. Acceptance des cristaux nonlinéaires
1. Acceptance dans les cristaux biréfringents
2. Acceptance dans les cristaux à alternance de polarisation
CHAPITRE 2 : LASERS À FIBRE DOPÉE YTTERBIUM OPERANT À 976 NM. CONCEPTS FONDAMENTAUX ET CONSIDERATIONS OPTO-GEOMETRIQUES
I. Introduction
II. Etat de l’art des lasers émettant à 976 nm
III. Concepts fondamentaux pour une opération laser à 976 nm dans les fibres dopées ytterbium
A. Spectroscopie des ions ytterbium en matrice silicate.
B. Conditions d’obtention d’un effet laser à 976 nm dans les fibres dopées ytterbium
1. Seuil laser de la transition quasi trois niveaux à 976 nm
2. Compétition transition 3-niveaux/transition quasi-4 niveaux
C. Contraintes opto-géométriques et réalisations
1. Dimensionnement cœur/gaine
2. Réalisation de la gaine de pompe
D. Réalisations et tests expérimentaux de fibres dopées ytterbium conçues pour fonctionner à
976 nm
1. Emission laser continue à 976 nm dans une fibre de type barreau 80/200
2. Réalisation n°1 : Fibre 20/80 à matrice aluminosilicate dopée ytterbium en technologie saut
d’indice à gaine d’air
3. Réalisation n°2 : Fibre 20/80 à matrice phosphosilicate dopée ytterbium en technologie saut
d’indice à gaine Téflon
4. Réalisation n°3 : Fibre genénération 2 (gen 2) à matrice phosphosilicate dopée Ytterbium e
technologie saut d’indice à gaine d’air
IV. Conclusion laser à fibre dopée ytterbium opérant à 976 nm
CHAPITRE 3 : GENERATION DE SECOND HARMONIQUE A 488 NM EN REGIME CONTINU
I. Introduction
II. Doublement en fréquence de la source laser à fibre à 976 nm
A. Choix du cristal non linéaire adapté à la génération de second harmonique en régime continu
B. Description expérimentale
1. Schéma expérimental
2. Les cristaux à alternance de polarisation (PPxx)
3. Paramètres de focalisation
C. Résultats expérimentaux
D. Performances et limitations des cristaux PPsLT
1. Cristal de PPsLT en régime « non saturé »
2. Cristal de PPsLT en régime de «saturation»
3. Modèle numérique
III. Mesure du bruit d’intensité de la source visible
E. La mesure du bruit d’intensité, un outil de caractérisation
1. Précautions préalables à une mesure significative
2. Origine des contributions du bruit
F. Résultats expérimentaux
1. Mesure de bruit de la diode signal
2. Mesure de bruit de la source laser infrarouge fondamentale
3. Mesure de bruit de la source visible
IV. Conclusion
CHAPITRE 4 : GENERATION DE RAYONNEMENT ULTRAVIOLET A 325NM
I. Emission à 325 nm en régime nanoseconde
A. Un besoin industriel
B. Etat de l’art des lasers UV dans la gamme 343-355 nm
C. Simulation et faisabilité
1. Choix des cristaux non linéaires
2. Dimensionnement des étages non linéaires
D. Réalisation expérimentale
1. Caractérisation de la diode signal modulée
2. Etude expérimentale de l’étage préamplificateur
3. Etage amplificateur à fibre gen 2 et conversion de fréquence
4. Etage amplificateur à fibre « large pitch » 50/170 et conversion de fréquence
II. Emission à 325 nm en régime picoseconde
A. Applications de la source UV picoseconde à 325,3 nm
B. L’oscillateur picoseconde à 976 nm
C. Amplification de l’oscillateur picoseconde à 976 nm
1. Simulation de l’élargissement spectral par auto-modulation de phase (FIBERDESK)
2. Mesure expérimentale de l’élargissement par auto-modulation de phase
3. Génération de seconde et de troisième harmonique
III. Conclusion
CHAPITRE 5 : CONCLUSION GENERALE