Etat de l’art des sources à 1,5 µm mono-fréquence

Dans cette sous partie, nous allons différencier les méthodes d’amplification de forte puissance crête, en fonction du type de fibre utilisé. Dans un premier temps nous verrons un système utilisant des fibres à barreaux (ou ROD), ces fibres sont généralement de courtes longueurs et ont la particularité d’avoir de gros diamètres de cœur. Donc pour éviter l’apparition de modes d’ordres supérieurs, elles sont maintenue droites, de plus, de par leurs rigidités, elles ne permettent pas d’être courbées.

Nous verrons ensuite des systèmes utilisant des fibres PAS (Al2O3-P2O5-SiO2), il s’agit d’une matrice vitreuse

composée de co-dopants passifs pour réduire la différence d’indice entre le cœur et la gaine pour accroitre l’aire effective de la fibre.

Puis nous finirons par des fibres VLMA (very large mode area) et HOM (high order modes), ces fibres sont naturellement multimodes, mais dans les travaux présentés, la puissance extraite est faite sur le faisceau monomode en sortie, soit par de la mise en forme de faisceau, ou par la fuite des modes d’ordres supérieurs avant la sortie (par exemple en courbant fortement la fibre).

x Fibres barreaux (ou ROD)

Codemard et al. [61], obtient des impulsions de 1 mJ en sortie à 1,55 μm. Le système est une configuration MOPA comprenant 4 étages d’amplification dont les deux derniers sont en barreaux, comme on peut le voir sur la Figure 1.45-(a). Les barreaux sont dopés erbium ytterbium, le premier possède un cœur de 50 μm de diamètre, et le second 90 μm de diamètre. L’impulsion de sortie fait 88 ns à mi-hauteur, et est représentée sur la Figure 1.45-(b). Une adaptation de mode a été réalisée entre le deuxième étage d’amplification dont le cœur fait 18 μm de diamètre et le premier barreau de 50 μm de diamètre, à la sortie de ce dernier, le faisceau passe en espace libre. La puissance crête de sortie est de 6,6 kW sans atteindre le seuil de non linéarité imposé par la diffusion Brillouin stimulée.

Figure 1.45 Schéma de principe du montage expérimental (a) et données expérimentales recueillies (impulsion temporelle et énergie de sortie ou puissance crête de sortie en fonction de la puissance de pompe absorbée).(b)

Dans cette section nous allons voir les fibres dites PAS, avec les travaux de Kotov et al. [62]. La fibre servant à l’amplification de puissance est une fibre double gaine de 36 µm de diamètre de mode. Le schéma de principe du système MOPA est visible sur la Figure 1.46. La fibre double gaine est pompée par des diodes multimodes émettant à 976 nm.

Figure 1.46 Schéma de principe du système MOPA pour l’amplification de forte puissance crête

1,5 mJ ont été obtenue en sortie avec 120 W de pompe à 1560 nm, néanmoins, il y a 16% d’ASE en sortie. Pour réduire l’émission spontanée de sortie, la puissance de pompe a été réduite de façon à obtenir 7% d’ASE pour 1 mJ d’énergie dans l’impulsion signal de sortie. Le profil d’indice de la fibre ainsi que le diamètre de mode et une face de la fibre double gaine sont visibles sur la Figure 1.47. La durée des impulsions en sortie de source est de 50 ns à mi-hauteur avec un taux de répétition de 16 kHz. La gaine a une forme carrée pour optimiser l’absorption du faisceau de pompe.

Figure 1.47 (a) Mode fondamental calculé en rouge à partir du profil d’indice en noir. (b) Champ proche expérimental en sortie de fibre et (c) face de la fibre utilisé dans le dernier étage pour l’amplification de puissance [62]

Toujours en utilisant des fibres de type PAS, 4 kW ont été obtenus à 1550nm avec une source mono- fréquence (2 MHz) par Kotov et al. [63]. Le montage est un système MOPA composé d’un SOA (Semiconductor Optical Amplifier) et de deux amplificateurs à fibre dopés erbium. Le dernier étage est une fibre LMA dont le cœur fait 40 µm de diamètre.

Figure 1.48 Schéma de principe du système MOPA [63]

Les travaux de Renard et al. [64] démontrent 1,12 kW à 1545nm en configuration MOPA dans 2,6 mètres de fibre codopée erbium ytterbium, pour des durées d’impulsions en sortie de 108 ns à un taux de répétition de 5 kHz, et une énergie de 450 µJ pour des impulsions de 650 ns à un taux de répétition de 10 kHz. La fibre possède un diamètre de cœur de 30 µm, et le faisceau de sortie amplifié est monomode (M²~1,3/1,4). L’absorption de la pompe est effectué à 915 nm ce qui correspond au pic d’absorption de l’ion ytterbium.

 Fibre Multi filament

Le cœur de la fibre est composé de 37 filaments de 1,8 µm de diamètre, espacé de 5,1 µm, il est visible sur la Figure 1.49. Certains des filaments sont dopés erbium/ytterbium et d’autres dopés au fluor. Le fluor permet de réduire l’indice du cœur et donc la différence d’indice entre le cœur et la gaine. Ce qui permet d’avoir un diamètre de mode de 30µm pour un cœur de 40 µm de diamètre. 900 W crête ont été obtenus à 1545 nm avec des impulsions de 800 ns à 5 kHz de répétition, et 2 kW pour des impulsions de 110 ns. Dans le second cas (impulsions de 110 ns) l’amplification est limitée par diffusion Brillouin stimulée. Le faisceau de sortie possède une excellente qualité spatiale de sortie au vue de la composition complexe du cœur de la fibre M²<1,2 [65], [66].

Figure 1.49 Face de la fibre multifilament en configuration PANDA [65], [66]

 Fibres HOM et VLMA

Dans cette section il s’agit de sources faites à partir de fibre à très large aire modale, naturellement multimodes, notées VLMA (Very Large Mode Area) et HOMF (Higher-Order Mode Fiber). Nous retenons deux publications de Nicholson et al. [22], [67].

La première publication [67] consiste à fabriquer une source optique pour la détection de CO2 en utilisant

une source émettant à 1572 nm (absorption de la molécule CO2). 400 W crête ont été obtenus pour des

elle est à maintien de polarisation (20 dB d’extinction ont été mesurés en sortie) et son aire effective est égale à 1000 μm². Le pompage a été effectué avec une source RAMAN à 1480 nm de 20 W, le pic d’absorption de la fibre dopée erbium est de 50 dB/m à 1530 nm. Le faisceau de sortie est monomode avec un M²<1,15

Figure 1.50 Face de la fibre VLMA dopée erbium (a) et mesure de M² en sortie de fibre avec une visualisation du champ proche [67]

L’autre système utilise un réseau inscrit longitudinalement au début de la fibre comme nous pouvons le voir sur la Figure 1.51. Ce dernier transforme le mode fondamental LP01 vers les modes LP0N, ainsi il y a différents modes déterminés qui se propagent et sont amplifiés dans la fibre. A la sortie un axicon est aligné pour permettre la conversion des modes LP0N vers le mode fondamental LP01.

Figure 1.51 Schéma de principe de l’amplification dans la fibre HOM [22]

Nous pouvons reporter de ce travail une puissance crête de 700 kW, malheureusement il n’y a aucun renseignement sur la durée des impulsions, rendant cette donnée inutile. Mais si nous retenons ce travail, c’est pour la grande aire d’interaction qu’offre cette fibre, ainsi que la conversion de mode pour obtenir en sortie un faisceau monomode avec un M²<1.2 avec 80% d’efficacité de conversion de l’axicon pour transformer les modes LP0N vers le mode fondamental LP01.

Fibre erbium monomode

Nous retenons également les travaux de Shi et al. pour des applications de détection de gaz par LIDAR. La source créée est un système MOPA utilisant une fibre à large aire modale avec un cœur de 30 μm de diamètre comme dernier étage d’amplification (voir Figure 1.52).

Figure 1.52 Schéma de principe du laser Q-switch et du signal amplifié par le système MOPA

Les deux fibres à larges aires modales sont codopées erbium ytterbium pour optimiser l’absorption et obtenir une émission stimulée à 1530 nm. 2,02 kW ont été obtenus avec des impulsions de 105 ns à mi- hauteur à un taux de répétition de 8 kHz en sortie du système MOPA.

Nous représentons un résumé des performances vus au cours de cet état de l’art sous la forme d’une figure de mérite. Les résultats sont affichés comme la puissance moyenne fonction de la puissance crête.

Figure 1.53 Figure de mérite de l’Etat de l’art présenté précédemment représentant la puissance crête en fonction de la puissance moyenne.