l’´emission spontan´ee amplifi´ee (ESA) en n´egligeant σespar rapport `a σasdans les ´equations pr´ec´edentes. Le gain en dB est, quant `a lui, obtenu au moyen de la relation suivante :
G = 10
ln 10
Eextract Esat
(2.64) En cons´equence, la valeur de l’´energie emmagasin´ee dans la fibre est limit´ee `a environ 10 fois celle de l’´energie de saturation. Au-del`a, la puissance de pompe additionnelle profite simplement `a l’ESA. Etant donn´e que σes et σas sont li´ees au dopant sans possibilit´e de beaucoup modifier leurs valeurs, la seule possibilit´e d’accroˆıtre la limite de l’´energie qui puisse ˆetre emmagasin´ee dans une fibre est d’agir sur Acoeur et Γs afin d’accroˆıtre la valeur de Esat. Ceci peut alors ˆetre obtenu par le biais d’une augmentation du rapport Acoeur/Γs soit comme il est fait pour les fibres dop´ees en anneau, soit en augmentant la valeur du diam`etre de mode [Renaud 01b].
2.8
Principales caract´eristiques des fibres utilis´ees
Nous donnons dans le tableau 2.9 un r´esum´e des principales propri´et´es des fibres op- tiques que nous avons utilis´ees durant notre travail. Les propri´et´es list´ees sont celles qui se r´ev`elent pertinentes dans le cadre d’une ´el´evation de la puissance et de la pr´eservation des qualit´es intrins`eques d’un syst`eme `a fibre. Parmi celles-ci, outre les caract´eristiques g´eom´etriques (diam`etre de cœur, O.N., diam`etre de gaine), nous trouvons donc la valeur des diam`etres et surfaces effectifs de mode (respectivement φmode et Aef f) avec les ap- proximations que nous avons retenues, un ordre de grandeur des ´energies de saturation Esat et des seuils des effets de la D.R.S. et de la D.B.S..
Exemple φcoeur (µm) O.N. α (dB/km) φmode (µm) Aef f (µm2) Seuil Esat (en µJ) Brillouin (W ) Raman (kW ) Fibre [6 µm, 0,12] 6 0,12 N.A. 7,3 41,6 1,05 0,33 2,3 Fibre [20 µm, 0,14] 20 0,14 10 10,1 80,1 17 5,6 110 Fibre [30 µm, 0,08] 30 0,08 N.A. 15,6 191 57 16,4 243 Fibre [13 µm, 0,13] 13 0,13 N.A. 7,3 42 9,9 3,2 39 Fibre [20 µm, 0,1] 20 0,1 35 10,8 91,4 6,2 2 100 Fibre [10 µm, 0,08] 10 0,08 N.A 11,2 98,7 7,4 2,4 7,4
Tab.2.9 – R´esum´e des principales caract´eristiques des fibres utilis´ees
2.9
Conclusion `a ce chapitre
Dans ce chapitre, nous avons ´enum´er´e, de mani`ere non exhaustive, les ph´enom`enes que nous sommes susceptibles de rencontrer lors de l’accroissement de la puissance d´elivr´ee par un syst`eme `a fibre. Ceux-ci sont majoritairement des inconv´enients `a l’´el´evation de puissance et pour s’en affranchir ou essayer d’en minimiser les effets ind´esirables, il est
72 Lasers `a fibre de forte puissance n´ecessaire de parvenir `a une bonne compr´ehension de la physique les r´egissant. C’est pourquoi, ce chapitre donne aussi quelques ´el´ements d’analyse th´eorique indispensables `a la poursuite de notre ´etude.
Nous avons introduit la notion de puissance moyenne et de puissance crˆete, notre travail consistant tout autant en l’´etude, le d´eveloppement et la maˆıtrise de syst`emes `a fibre fonctionnant en r´egime continu qu’en r´egime d’impulsions.
Parmi les principaux effets qui peuvent limiter une ´el´evation de la puissance de sortie d’un syst`eme `a fibre se trouvent les effets non lin´eaires. Ceux-ci ont ´et´e introduits et plus particuli`erement les effets de diffusion Brillouin et Raman stimul´ees ainsi que les ph´enom`enes engendr´es par effet Kerr. Les effets non lin´eaires peuvent limiter la mont´ee en puissance principalement de 2 fa¸cons :
– soit par saturation de la puissance de sortie ou destruction des optiques,
– soit par une d´egradation des performances du syst`eme (qualit´e spectrale ou spatiale de faisceau, d´eformation de profil d’impulsion, · · · ) incompatibles avec l’objectif final vis´e au terme de la mont´ee en puissance.
Nous avons plus particuli`erement ´et´e confront´e `a cette seconde limitation durant notre travail. Les probl`emes induits et les solutions que nous avons mises en œuvre pour nous en pr´emunir et atteindre nos objectifs de puissance sont pr´esent´es et discuter dans les chapitres 4 et 5. Les probl`emes que nous avons rencontr´es, ne doivent pas nous faire ou- blier que ces effets d’optique non lin´eaire pr´esentent aussi des vertus mˆeme si nous ne les avons pas personnellement exploit´ees. Par exemple, l’automodulation de phase peut conduire, selon les conditions, `a un ´elargissement spectral ou `a une compression tempo- relles d’impulsions [Limpert 02]. Une compression d’impulsions peut s’av´erer int´eressante pour l’obtention de tr`es fortes puissances crˆetes dans un syst`eme de puissance moyenne contenue [Roser 05]. Les propri´et´es de la diffusion Brillouin stimul´ee peuvent servir les ap- plications de capteurs `a fibre [Fellay 02, Bao 99]. La bande de gain Raman peut quant `a lui servir `a une amplification [Mcintosh 00] ou `a la g´en´eration d’effet laser [Mermelstein 01]. Pour conclure sur les b´en´efices potentiels que l’on peut tirer des effets que, pour notre part, nous avons subi durant notre ´etude, citons les effets de r´eg´en´eration optique de signal par m´elange `a 4 ondes sur lesquels d’intenses recherches sont effectu´ees afin d’am´eliorer les capacit´es de transmission des syst`emes optiques [Chow 05].
Un des atouts d’un syst`eme `a fibre en comparaison avec un laser solide ou `a gaz as- surant une propagation de la lumi`ere en espace libre est sa grande qualit´e de faisceau. Notamment, une fibre monomodale permet la propagation d’un faisceau gaussien. Cette qualit´e peut se r´ev´eler difficile `a pr´eserver lorsque la puissance augmente si un certain nombre de pr´ecautions ne sont prises en amont de la croissance en puissance du syst`eme. C’est pourquoi, nous avons introduit la notion de qualit´e de faisceau et le param`etre qui mesure et permet de quantifier celle-ci i.e. le M2. Nous avons aussi donn´e une liste non ex- haustive de fibres sp´eciales, permettant chacune avec ses propres atouts, d’appr´ehender la mont´ee en puissance d’un syst`eme fibr´e. De fait, pour notre ´etude, nous avons ´et´e amen´es `a travailler avec un ´echantillon assez diversifi´e de fibres dop´ees. Pour chacune d’entres elles, nous avons pris en compte et calcul´e le cas ´ech´eant les valeurs des fr´equences r´eduites, des diam`etres de mode, des surfaces effectives et ´energies de saturation. La connaissance des valeurs des surfaces effectives se r´ev`elent, en effet, cruciale dans la d´etermination de l’´energie de saturation Esat des fibres dop´ees. Celle-ci ´etant connue, on peut d´eterminer le r´egime de fonctionnement de l’amplificateur (r´egime de gain satur´e ou non). Les valeurs obtenues ne sont pas des valeurs exactes th´eoriquement. Dans ce but, il faut r´esoudre
2.9 Conclusion au deuxi`eme chapitre 73