2.2 Amplification dans des fibres photoniques dopées aux ions Ytterbium
2.2.2 Préamplifications et division de cadence
2.2.2.3 Division de cadence
En optique impulsionnelle, la division de cadence consiste à supprimer un nombre plus ou moins important de tirs dans un train d’impulsions afin de réduire son taux de répétition. L’intérêt de cette technique est de favoriser l’amplification d’impulsions vers des énergies plus importantes lorsqu’elles proviennent notamment d’oscillateurs laser dont le taux de répétition est forcément très élevé. La méthode choisie est basée sur l’effet Pockels. Cependant, précisons qu’il existe une autre alternative utilisant un modulateur acousto-optique (Acousto-Optic Modulator (AOM)), mais dans notre cas le temps entre deux impulsions successives étant de seulement 12ns à 77MHz, cette technique nécessiterait de focaliser le faisceau avec un diamètre très petit (≈6µm) pour obtenir un temps de réponse de 1ns. Or, compte tenu de la puissance disponible en sortie du deuxième préamplificateur (de 1W à 4W), et de la durée des impulsions (2.3ns), nous serions proche du seuil de dommage du cristal de l’AOM.
Le diviseur de cadence que nous utilisons est classé dans la famille des modulateurs électro- optiques (Electro-Optic Modulator (EOM)). Celui-ci utilise l’effet Pockels dans lequel un champ électrique intense est appliqué à un cristal non linéaire afin de modifier sa biréfringence. L’ensemble cristal non linéaire et électrodes constitue la cellule de Pockels. Celle-ci est alors équivalente à une lame d’onde dont la biréfringence varie linéairement avec la tension appliquée. En appliquant une valeur de tension bien choisie, il est possible d’obtenir un comportement équivalent à une lame quart d’onde. Pour obtenir un comportement équivalent à une lame demi-onde, nous pouvons soit augmenter encore la tension, soit comme nous avons choisi de le faire, conserver cette tension et réaliser un deuxième passage dans la cellule de Pockels.
Le principe de la division de cadence est assez simple. En supposant que l’on dispose d’un train d’impulsions à 77MHz polarisé horizontalement, et que celui-ci traverse deux fois la cellule de Po- ckels, chaque fois qu’une tension donnant lieu à un comportement équivalent à une lame quart d’onde sera appliquée au cristal, la polarisation du faisceau sera tournée verticalement. Par consé- quent, si l’on place un cube polariseur en sortie de la cellule de Pockels, le faisceau ne sera plus transmis mais réfléchi par celui-ci. Ainsi, pour diviser la cadence du train d’impulsions de 77MHz à 100kHz, il faut lui appliquer des portes de tension à une cadence de 100kHz, synchronisées avec le train à 77MHz, et d’une durée plusieurs fois supérieure à la durée d’une seule impulsion.
La cellule de Pockels que nous utilisons contient un cristal de BBO. La haute tension est com- mandée par un driver de haute tension programmable (Bergmann), et un potentiomètre fait varier sa valeur entre 0 et 5kV pour trouver précisément le point de fonctionnement équivalent à une lame quart d’onde situé aux alentours de 4kV. Précisons qu’au moment de l’achat, la technologie disponible ne permettait d’atteindre une cadence plus élevée que 100kHz en double passage.
En pratique, le cube utilisé pour séparer les deux polarisations ne peut être parfait, il possède un coefficient d’extinction différent de 100%. Par consésquent, il subsite après division de cadence, une portion parasite plus ou moins importante de signal à 77MHz qui est réfléchie par le cube, et s’ajoute au train d’impulsions à 100kHz. Nous utilisons un cube Polarizing Beam Splitter (PBS) fabriqué par l’entreprise CVI dont les coefficients de réflexion et de transmission sont :
– en polarisation p :Rp = 0.05 → Tp = 0.95,
– en polarisation s :Rs = 0.998 → Ts= 0.002.
Ce cube remplit une double fonction (voir figure 2.32(a)). Placé dans l’axe de la cellule de Pockels, il sert à la fois d’entrée et de sortie du diviseur de cadence. A l’entrée, il permet d’éteindre au mieux la part résiduelle de polarisation verticale (polarisation s) entrant dans la cellule de Pockels. A la sortie, il sépare les deux trains à 77MHz (majoritairement polarisé suivant p) et 100kHz (majoritairement polarisé suivant s).
Le contraste à la sortie du diviseur de cadence est définit comme étant le rapport entre l’énergie d’une impulsion du train à 100kHz sur celle d’une impulsion du train résiduelle à 77MHz. Dans ce cas, en supposant que le faisceau soit polarisé suivant p à l’entrée du diviseur de cadence, il est possible de démontrer que le contraste est égal au rapport entre les coefficients de réflexion du cube suivant s et p [7] : C = E100kHz E77kHz = Rs Rp . (2.43)
Ainsi, du fait que les coefficients de réflexion et de transmission ne soient pas parfaits, le contraste n’est pas infini, et le train à 77MHz n’est que partiellement éteint. En utilisant un seul cube polari-
Cellule
de
Pockels
Cube polariseur Miroir à 0° HR à 1030nm 2ième étage de préamplification 3ième étage de préamplification (a)Cellule
de
Pockels
Cube polariseur 1er coin de cube 2ième coin de cube Miroir à 0° HR à 1030nm 2ième étage de préamplification 3ième étage de préamplification (b)FIGURE2.32 – Division de cadence par Cellule de Pockels. (a) Un seul passage dans le cube séparateur. (b) Trois passages dans le cube séparateur réalisés à l’aide de deux coins de cube.
seur, le contraste obtenu est seulement de 20 !
Cependant, il est possible d’augmenter simplement ce contraste en réalisant d’autres réflexions, soit sur des cubes polariseurs ajoutés à la sortie du diviseur de cadence, soit en utilisant des coins de cube pour renvoyer plusieurs fois le faisceau réfléchie dans le cube polariseur. Dans ce cas, il se démontre que le contraste dépend en puissance n du nombre de réflexions dans le cube [7] :
C = Rs Rp
n
. (2.44)
Le contraste augmente donc très rapidement à chaque nouvelle réflexion dans le cube polariseur. Afin d’y voir plus clair, il est possible d’établir le lien entre le contraste, et la proportion de puissance utile à 100kHz dans le faisceau de sortie :
P100kHz/PT otale =
1
1 +770C . (2.45)
La figure 2.33 montre en échelle semi-logarithmique, l’évolution du pourcentage de puissance utile à 100kHz dans le faisceau en fonction du contraste. En rouge, sont repérés les pourcentages de puissances utiles pour différents nombres de réflexions dans le cube. Avec un seul passage, la puis- sance utile est de seulement 2.5%. En revanche, pour trois passages consécutifs dans le cube, elle passe à 91.2%, ce qui correspond à un contraste raisonnable d’environ 8000, il reste alors 8.8% de puissance parasite dans le signal.
Expérimentalement, nous avons réalisé 3 réflexions dans notre cube polariseur en renvoyant le faisceau dans celui-ci à l’aide de deux coins de cubes représentés sur la figure 2.32(b). Nous avons mesuré en sortie de ce dispositif de division de cadence, un contraste égal à environ 7000, ce qui revient à dire que 90% de la puissance mesurée est à 100kHz et 10% à 77MHz. Ces valeurs sont tout à fait raisonnables pour ce type de laser.
100 101 102 103 104 105 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 398 7952 2.5% 34.1% 91.2% 1 passage 2 passages 3 passages Contraste Pourcentage de puissance à 100kHz (%)
FIGURE2.33 – Pourcentage de puissance utile à 100kHz dans le faisceau en fonction du contraste. La puissance totale comprend la puissance du train d’impulsions à 100kHz, et celle du train d’impulsions parasites à 77MHz partiellement réfléchi par le cube. En rouge, les valeurs calculées de contraste et de puissance utile obtenues pour 1, 2, et 3 réflexions dans notre cube PBS fournis par l’entreprise CVI dont les coefficients de réflexion en polarisation s et p sont : Rs= 0.998et Rp= 0.05.
2.2.3 Amplification à forte puissance moyenne dans des fibres barreaux à très gros