Étage d’amplification de puissance

Il s’agit du dernier étage du système développé. L’objectif est d’obtenir en sortie une énergie par impulsion de plusieurs centaines de microjoules voire de 1 millijoule. Afin d’assurer un stockage d’énergie suffisant et la minimisation des effets non linéaires, l’amplification est réalisée dans la fibre effilée fabriquée par le laboratoire Russe du FORC et introduite section 1.2.2. Les caractéristiques de cette fibre sont présentées plus en détails ci-dessous. Il est également bon de souligner que trois fibres équivalentes ont été caractérisées et intégrées dans le système laser. Les performances obtenues sont semblables pour les trois fibres. Ainsi, nous présentons dans la suite les résultats obtenu grâce à l’une d’entre-elles.

2.2.2.1 Caractéristiques de la fibre utilisée

Le profil longitudinal de la fibre, sa section transverse et le champ proche obtenu en sortie sont présentés Figure II-20. La fibre mesure 2,6 m. Elle présente un diamètre de cœur de 10 µm à l’entrée (à droite) et de 43 µm en sortie (ratio ~4,5). Le MFD du mode fondamental varie ainsi de 8,7 à 25 µm. Les barreaux de contraintes permettent l’obtention d’un PER de l’ordre de 25 dB (mesuré par le fabricant). La pompe est guidée dans la gaine dont le diamètre varie de 72 à 323 µm. Son guidage est assuré par un anneau de silice dopée au fluor (ouverture numérique égale à 0,28). Le cœur de la fibre est fortement dopée ytterbium et l’absorption gaine de la fibre est de 23 dB/m à 976 nm. La fiche de spécification mentionne également une très bonne résistance de cette fibre par rapport au phénomène de photo-noircissement. Il s’agit également d’une caractéristique intéressante pour nous en raison du faible rapport cyclique de notre signal.

(a) (b)

Figure II-20 : (a) Profil longitudinal et section transverse de la fibre effilée utilisée. Attention, la fibre sera intégrée de manière à ce que le signal se propage dans le sens de l’accroissement du diamètre. Ici, de droite à

gauche ! (b) Profil spatial obtenu en sortie.

Le profil spatial obtenu en sortie de la fibre laisse clairement apparaitre un profil d’intensité gaussien. Un autre signe encourageant a été obtenue en mesurant le M² du faisceau (Figure II-21 (a)). Celui est inférieur à 1,1 et prouve que le faisceau délivré par la fibre est proche de la limite de diffraction (M²=1). Afin de mesurer le contenu modal de la fibre, une mesure de S² a été réalisée (cette mesure n’a pas été réalisée en régime d’amplification !). Le résultat est présenté Figure II-21 (b). Il apparait clairement qu’aucun mode d’ordre supérieur n’a pu être détecté avec notre banc de mesure. Ainsi, l’ensemble des caractéristiques de la fibre est en accord avec le cahier des charges présenté dans le premier chapitre. Nous présentons ci-dessous l’architecture laser (amplificateur) développée autour de cette fibre.

(a)

(b)

Figure II-21 : (a) Mesure du paramètre M² du faisceau issu de la fibre effilée présentée Figure II-20. Cette mesure a été réalisée avec une caméra de type Win-Cam (b) Mesure du contenu modal de la fibre par la méthode du S². Aucun HOM n’a été détecté (les composantes temporelles situées entre 15 et 20 ps sont liées

au bruit d’intensité du laser). Pour cette mesure, le signal se propage de l’entrée de faible diamètre vers la sortie de grand diamètre. La fibre est positionnée avec un tronçon rectiligne de 15 cm en entrée, 1,5 tours de

2.2.2.2 Architecture réalisée

Le but de ce dernier étage est d’atteindre une énergie par impulsion dans la gamme du millijoule. L’architecture réalisée est présentée Figure II-22.

Figure II-22 : Schéma de l’architecture de l’amplificateur de puissance. La fibre utilisée pour l’amplification apparait en vert. La pompe est transportée depuis la diode jusqu’à la fibre dopée à l’aide de lentilles et de

miroirs dichroïques. (ISO HP) pour ISOlateur Haute Puissance.

Un isolateur haute puissance (seuil de dommage en puissance crête de 10 kW) est placé en entrée afin de protéger les étages situés en amont. La fibre effilée présentée ci-dessus est pompée de manière contra-propagative. Le signal issu de la diode est couplé dans la gaine de la fibre au moyen de lentilles et de miroirs dichroïques. La largeur spectrale de la pompe est de l’ordre de trois nanomètres et est centrée à la longueur d’onde de 976 nm. Enfin, un morceau de fibre multimode de 1,5 mm est soudé en sortie de la fibre effilée. Celui-ci est utilisé pour utiliser la divergence naturelle du faisceau et diminuer la fluence sur la face de sortie afin de rester sous le seuil de dommage. Ce seuil en intensité est de l’ordre de 4,1 kW/µm² [77] (soit une puissance crête de l’ordre de 2 MW pour notre fibre de 25 µm de MFD). En pratique, sa valeur est souvent bien inférieure en raison des défauts de la qualité de surface en sortie de fibre. La Figure II-23 (a) présente un tableau récapitulatif des seuils de dommages mesurés pour certaines fibres de la société NKT Photonics® sur lesquelles des systèmes de type « end-cap » ont été ajoutés [77]. À la vue des ordres de grandeurs présentés et des puissances crêtes que l’on souhaite atteindre (> 100 kW), le recours à un tel système est impératif sous peine d’obtenir des dommages équivalents à ceux présentés Figure II-23 (b) et (c). Pour terminer, l’embout est clivé avec un angle de 7° afin de réduire au maximum la réinjection d’une partie du signal dans la fibre issue de la réflexion de Fresnel.

Remarque sur le choix d’un pompage contra-propagatif :

La raison principale est la trop faible étendue géométrique de la gaine de la fibre (côté entrée du signal) qui la rend incompatible de l’utilisation des combineurs de pompe disponibles89. Pour être honnête, il s’agit là d’une légère entorse à notre volonté de réaliser un système entièrement fibré. Toutefois, avec un diamètre de gaine supérieur à 300 µm et une ouverture numérique de 0,28, la criticité de l’alignement de la pompe est bien plus faible que celle qui pourrait être liée à l’injection en espace libre du signal dans le cœur. Le diamètre de ce dernier est en effet d’un ordre de grandeur inférieur à celui de la gaine et l’ouverture numérique inférieure à 0,1. La stabilité du système développé reste donc en accord avec notre cahier des charges. De plus, cette stratégie permet également de minimiser les effets non linéaires en créant une inversion de population (et donc un gain) plus importante en sortie de fibre diminuant ainsi la longueur effective d’interaction.

(a)

(b) (c)

Figure II-23 : (a) Tableau de synthèse des différents seuils de dommages mesurés pour les principales fibres dopées ytterbium de la société NKT Photonics®. De par le MFD (29 µm) et la durée des impulsions (10 ns) considérés, les données de la deuxième colonne (fibre DC-200/40-PZ-Yb) sont particulièrement intéressantes. (b) Vue de profil d’un dommage en sortie de fibre. (c) Vue de face d’un dommage en sortie de fibre (issues de

[77]).

89 _{L’étendue géométrique de la gaine de la fibre (du faisceau qui en est issu) est notée G. Elle est définie telle que}

𝐺 = 𝜋. 𝐴. 𝑂𝑁² avec A l’aire de le gaine et ON son ouverture numérique. Ainsi, la gaine de la fibre effilée présente en entrée un diamètre de 72 µm et une ouverture numérique égale à 0,28. En face, les combineurs de pompe disponibles possèdent une gaine optique de 105 µm de diamètre et une ouverture numérique égale à 0,46. Leur soudure directe sur la fibre engendrerait trop de pertes pour la pompe.