Optimisation des paramètres de la cavité

Nous allons désormais utiliser ce modèle numérique pour optimiser la géométrie de la fibre et les caractéristiques de la cavité laser. Compte tenu de la qualité spatiale de faisceau médiocre obtenue avec la première fibre LMA, nous avons choisi de réduire le diamètre du cœur à 15 µm ce qui permettrait de réduire le nombre de modes guidés et ainsi d’améliorer la qualité spatiale de l’émission laser.

Dans les conditions du montage de la figure 1.18, nous avons donc calculé l'évolution de la puissance à 910 nm prédite par le modèle en fonction du diamètre de gaine pour un diamètre de cœur fixé à 15 µm, une puissance de pompe de 46 W et une puissance de pompe absorbée au seuil constante.

0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 Pu issan ce laser si mu lée à 910 n m (W ) Diamètre de gaine (µm) Puissance laser simulée à 910 nm (W) Puissance toale d'ESA simulée à 1060 nm (W)

Figure 1.25 : Evolution de la puissance de sortie à 910 nm (noir) et à 1060 nm (rouge) en fonction du diamètre de gaine pour un diamètre de cœur fixé à 15 µm

La figure 1.25 montre que si le diamètre de gaine est supérieur à 70 µm, l’effet laser bascule complètement sur l’émission à 1060 nm en raison d’un gain à cette longueur d’onde trop élevé. On remarque également que pour des diamètres de gaine inférieurs à 30 µm, la puissance laser à 910 nm diminue, le diamètre le plus adapté étant égal à 40 µm. Cet effet est directement lié à la présence d’ions Nd3+ _{en agrégats. Quand l’inversion de}

population augmente, la proportion d’ions en agrégats parmi les ions restés dans leur l’état fondamental devient plus élevée. Le flux signal subit par conséquent des pertes plus importantes. Ce phénomène explique également le fait que la puissance à 1060 nm augmente légèrement lorsqu’on augmente le diamètre de gaine puisque l’inversion de population devient cette fois de moins en moins élevée.

L’optimum de puissance laser à 910 nm semble être atteint pour un diamètre de gaine proche de 40 µm. Nous avons néanmoins jugé que cela ne permettrait pas d’injecter efficacement le faisceau de pompe dans la gaine compte tenu des caractéristiques du module de pompage dont nous disposions (=100 µm d’ON 0,22). Nous pouvons donc conclure de ces premiers résultats que la cavité laser choisie n’est pas adaptée à une émission laser efficace à 910 nm. Nous allons désormais étudier les conditions sur les coefficients R1 et R2 de la cavité pour favoriser l’oscillation à 910 nm tout en conservant une

géométrie de fibre avec un diamètre de cœur de 15 µm. Dans la configuration de la figure 1.18, la réflexion de Fresnel sur la facette clivée à angle droit (R = 3,5% à 910 et 1060 nm) est responsable de l’amplification de l’ESA à 1060 nm, ce qui vient réduire le gain à 910 nm. Lorsque l’on choisit un miroir de sortie M1 caractérisé par une réflexion nulle à 1060 nm et

un coefficient de réflexion de 3,5% à 910 nm, les résultats issus du modèle, présentés sur la figure 1.26, montrent que le basculement entre l’effet laser à 910 nm et à 1060 nm se produit maintenant pour un diamètre de gaine de 80 µm. Il devient alors possible de choisir un diamètre de gaine de 60 µm, ce qui est compatible avec le module de pompage et permettrait néanmoins de conserver un rendement laser relativement élevé à 910 nm.

0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 Pu issan ce si mu lée (W ) Diamètre de gaine (µm) Puissance de sortie simulée à 910 nm (W) Puissance totale d'ESA simulée à 1060 nm (W)

Figure 1.26 : Evolution des puissances de sortie à 910 nm (noir) et totale à 1060 nm (rouge) en fonction du diamètre de gaine pour un diamètre de cœur de 15µm et un miroir M1 non réfléchissant à 1060 nm

Cependant, si l’on souhaite éviter d’utiliser un miroir de Bragg, une réflexion nulle à 1060 nm signifie une facette clivée avec un angle >10° associée au miroir de sortie. Il faudra donc tenir compte d’un facteur de pertes supplémentaire lié au couplage en espace libre du signal après réflexion sur le miroir M1. Dans la simulation, ce paramètre a été

défini comme le taux de couplage C. Ce taux de couplage est voisin de 85% contre 100% pour une configuration fibrée. La figure 1.27 présente l’évolution de la puissance de sortie à 910 nm en fonction du coefficient de réflexion à 1060 nm du miroir de sortie M1 et en

tenant compte des pertes par couplage estimées à 15% pour l’oscillation à 910 nm. Le coefficient de réflexion du miroir de sortie M1 à 910 nm est quant à lui fixé à 3,5%. On

constate que pour des coefficients de réflexion inférieurs à 1% à 1060 nm, la puissance à 910 nm dépasse celle obtenue dans la configuration de la figure 1.18 qui ne comportait pas de pertes par couplage sur le miroir de sortie.

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 8 10 12 14 16 18 P uis s a nc e de s ort ie s imul é e à 9 1 0 nm (W )

Coefficient de réflexion à 1060 nm du miroir M1 (%)

Figure 1.27 : Evolution de la puissance de sortie à 910 nm calculée pour une fibre 15/60 en fonction du coefficient de réflexion à 1060 nm pour _{3,5% et des pertes de couplage C fixées à 15%}

Puissance à 910 nm dans le cas où le miroir de sortie correspond à une facette clivée à angle droit, c’est-à-dire 𝐑𝟗𝟏𝟎𝟏 𝐑𝟏𝟎𝟔𝟎𝟏 = 3,5%

Les tendances prédites par le modèle ont donc permis l’optimisation de la géométrie de la fibre afin de favoriser l’émission laser à 910 nm ainsi que l’optimisation de la cavité laser puisqu’une configuration entièrement en espace libre (deux facettes de fibre clivées avec un angle >10°) semble donner les meilleurs résultats et ce, en dépit des pertes supplémentaires occasionnées par un couplage moins efficace.

Une nouvelle fibre a donc été réalisée par iXblue, avec des diamètres de cœur et de gaine respectivement égaux à 15 µm et 60 µm. Dans l’idéal, l’ouverture numérique de la gaine doit être la plus élevée possible de manière à favoriser le couplage du faisceau de pompage. La mise en œuvre d’une telle fibre est présentée dans la suite de ce chapitre.

I.4 Nouvelles fibres optimisées : accordabilité par réseau de