Etude de la fibre la plus adaptée aux différents étages de préampli-

de travaux antérieurs

Des travaux expérimentaux antérieurs à cette thèse, réalisés par Julien Nillon alors en stage au laboratoire CELIA en 2008 [7], ont permis de choisir la fibre la plus adaptée aux différents étages de préamplification, et d’élaborer l’architecture idéale pour la pompe CPA fibrée présentée sur la figure 2.2. Pour cela, trois types de fibres ont été successivement testées : une fibre monomode simple gaine 7µm, puis une fibre monomode double gaine 15µm, et enfin une fibre photonique monomode double gaine 40µm. Dans cette partie, nous rappelons brièvement les résultats de ces travaux afin de justifier le choix final des fibres de préamplification, aujourd’hui en place sur la chaîne.

Les tests de ces différentes fibres ont été réalisés sur le premier étage de préamplification juste après le filtrage spectral décrit en détail dans la partie 2.1.4. La puissance disponible est de seule- ment 2mW pour un spectre centré à 1038nm d’environ 22nm de largeur à mi-hauteur (voir figure 2.7).

Fibre monomode simple gaine 7µm

La première fibre testée est une fibre monomode simple gaine Nufern de diamètre de coeur 7µm et d’ouverture numérique 0.11. Elle est pompée directement dans le coeur par une diode monomode à 976nm délivrant une puissance maximale de 300mW. Les résultats expérimentaux montrent une prédominance très importante de l’ASE par rapport au signal amplifié. En effet, pour une puissance de pompe d’environ 250mW, 60mW de signal sont obtenus en sortie. Cependant, 90% de ce signal est attribué à l’ASE. Le coefficient d’absorption à 976nm très élevé de cette fibre (250dB/m) conduit à une saturation très rapide de la pompe. Or, le profil spatial du signal à l’entrée de la fibre étant très dégradé, il s’avère impossible d’atteindre un taux de couplage important (supérieur à 40%) du signal dans le coeur de la fibre. En conséquence, il n’y a pas suffisament de signal pour concurencer l’ASE, et celui-ci n’est donc quasiment pas amplifié. C’est pourquoi des fibres avec un coeur plus gros ont été testées par la suite, afin d’améliorer notamment le couplage du signal.

Fibre monomode double gaine 15µm

La deuxième fibre testée est une fibre monomode double gaine de diamètre de coeur 15µm et d’ouverture numérique 0.08. La gaine interne a un diamètre de 130µm, et une ouverture numérique de 0.46, autorisant le couplage d’une puissance de pompe bien plus importante. En effet, la fibre est pompée par une diode QPC stabilisée en longueur d’onde à 976nm, et délivre une puissance maximale de 25W. Afin d’élever le seuil de lasage de la fibre, ses faces situées aux deux extrémités sont clivées en angle pour ne pas faire office de cavité laser. Les résultats expérimentaux montrent que le plus faible coefficient d’absorption de la pompe (6dB/m), et l’amélioration du couplage du signal dans le coeur de la fibre, ont radicalement réduits la part d’ASE dans le signal de sortie. Ainsi, pour une puissance de pompe de 2.4W, la puissance en sortie est de 275mW dont 12% sont attribué à l’ASE. En revanche, pour des puissances de pompe plus importantes, la part d’ASE réaugmente jusqu’à changer radicalement le régime de fonctionnement de la fibre, puisqu’au delà de 4.4W de pompe la fibre se met à laser. Il peut alors se produire un « Q-switch » qui endommage la face côté pompe de la fibre. Ces résultats encourageants ont conduit à l’époque à tester encore de nouvelles fibres avec des tailles de coeurs encore plus grandes.

Fibre photonique monomode double gaine 40µm

La dernière fibre testée est celle qui a été retenue pour la réalisation des différents préampli- ficateurs aujourd’hui en place sur la chaîne. Il s’agît d’une fibre photonique double gaine fournie par Crystal Fibre dont le diamètre de coeur mesure 40µm. La longueur de cette fibre donnant la meilleure efficacité a été déterminée à 1.5m à l’aide de simulations sous Fiberdesk [86]. Dans cette partie, nous développons plus en détails la réalisation de ce préamplificateur dont l’architecture typique a été reprise par la suite pendant cette thèse pour réaliser les deux autres préamplificateurs. Les caractéristiques de cette fibre sont données dans le tableau 2.23(b) de la partie 2.2.1.3.

Le montage optique est visible sur la figure 2.27. La fibre est enroulée autour d’un plateau circulaire lui garantissant un rayon de courbure idéal. Les barreaux de maintient de polarisation sont soigneusement orientés horizontalement tout le long de la fibre, afin de limiter au mieux sa biréfringence. Les extrémités de la fibre sont ensuite fixées sur des rainures usinées en forme de V. Cette technique de fixation immobilise efficacement la fibre tout en limitant les contraintes exercées

1

_{étage de}

préamplification

25W

Rainbow

FIGURE2.27 – Montage optique du premier préamplificateur fibré placé juste après le prélèvement et le filtrage spectrale d’une partie du signal du Rainbow autour de la longueur d’onde d’émission des ions Ytterbium à 1030nm.

par le serrage. Il faut cependant que les deux extrémités de la fibre soient fusionnées et clivées en angle afin d’éviter tout effet de cavité laser.

L’injection des 2mW de signal filtrés autour de 1030nm dans le coeur de la fibre, se fait au moyen d’une lentille de focale f=40mm. Grâce à deux lames demi-onde et quart d’onde, la polarisation du signal est ajustée finement par rapport à l’orientation des barreaux de la fibre. Le pompage de la fibre est effectué par une diode laser QPC continue, et stabilisée en longueur d’onde à 976nm par un réseau de Bragg. Sa puissance maximale de sortie est de 25W. L’injection de la pompe se déroule de manière contrapropagative, c’est-à-dire du côté opposé où le signal est injecté. Pour ce faire, une première lentille de focale f1=18mm collimate le faisceau en sortie du cordon de la diode, et une deuxième lentille de focale f2=8mm le refocalise pour l’injecter dans la gaine de pompe de la fibre. Entre ces deux lentilles, se trouve un miroir dichroïque à 22.5˚ qui laisse passer la pompe mais réfléchi le signal amplifié afin de l’extraire (taux d’extinction du signal égal à 30dB). Enfin, en sortie, un cube polariseur précédé de deux lames demi-onde et quart d’onde élimine la part résiduelle de signal dépolarisé. L’ensemble du préamplificateur est recouvert par un capotage représenté en gris sur la figure 2.27. Celui-ci protège notamment les faces de la fibre particulièrement sensibles aux poussières environnantes.

Précisons par ailleurs, qu’un isolateur de Faraday à 1030nm, ainsi qu’un miroir dichroïque ré- fléchissant à 976nm, ont été placé à l’entrée de ce préamplificateur, afin d’éviter respectivement les retours d’ASE et de pompe résiduelle dans l’oscillateur Ti :Sa.

0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Puissance de pompe (W) Puissance en sortie du 1 er préamplificateur (W)

Régime normal d’amplification Apparition d’effets non linéaires

Point de fonctionnement à 350mW (a) 1010 1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050 1055 10600 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 λcentrale=1034.6nm, ∆λ50%max=10.7nm Longueur d’onde (nm)

Intensité spectrale normalisée (u.a.)

(b)

FIGURE2.28 – Caractéristiques du signal sortant du premier préamplificateur fibré. (a) Puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe à 976nm. La mesure est prise après un cube polariseur visible sur la figure 2.27. Au delà de 800mW de signal amplifié, nous voyons l’apparition d’effets non linéaires. Pour cette raison, le point de fonctionnement en routine de ce préamplificateur est limité à 350mW de signal amplifié. (b) Spectre correspondant à une puissance amplifiée de 350mW.

amplificateur. En effet, pour 23W de pompe, la puissance du signal passe de 2mW en entrée à 3.8W en sortie, soit un gain de 1900. De plus, la part d’ASE reste inférieure à 10% quelque soit la puissance de pompe, et aucun effet de lasage ni de Q-switch n’est observé. La figure 2.28(a) montre la puissance amplifiée à 1030nm en fonction du pompage de la diode. Une évolution linéaire au delà de 8W de pompe y est observable.

La puissance amplifiée est tout à fait satisfaisante, cependant il a été constaté que si celle-ci dépasse 800mW, le spectre commence à se déformer, signe de l’apparition d’effets non-linéaire (principalement de la SPM). Comme nous l’avons vu précédemment, ces non linéarités conduisent à une dégradation du profil temporel des impulsions recomprimées en fin de chaîne. Afin d’éviter ce problème, une solution consisterait à étirer temporellement le signal avant cet étage de préampli- fication. Or, nous avons vu que cela est impossible au regard de la trop faible puissance disponible qu’il faudrait injecter dans l’étireur de Öffner. C’est pourquoi, la solution la plus raisonnable est de limiter la puissance de sortie de cette amplificateur bien en dessous de 800mW afin réduire forte- ment ces problèmes de non-linéarités. Ainsi, nous faisons tourner celui-ci en routine aux alentours de 350mW de signal amplifié de façon à avoir suffissament de puissance pour injecter le second étage de préamplifcation placé juste après l’étireur de Öffner. Le spectre associé à cette puissance de signal amplifié est donné sur la figure 2.28(b).