Principe et avantages des fibres effilées

Le principe de base des fibres effilées consiste à réaliser une fibre dont le diamètre de cœur de sortie (et donc le MFD du mode fondamental) est plus important que celui d’entrée. Si le cône (accroissement monotone du diamètre du cœur sur toute la longueur de la fibre) est une des géométries possibles, les fibres sur lesquelles nous allons travailler dans la suite présentent préférentiellement un profil longitudinal constituées de trois sections :

 Une entrée de faible diamètre de cœur (et donc de fibre72₎

 Une zone de transition correspondant à un accroissement du diamètre du cœur  Une zone présentant un grand diamètre de cœur

Un exemple de ce type de profil est présenté Figure II-9. Sur cette figure sont également illustrées les trois zones mentionnées ci-dessus. De manière générale, ces fibres présentent une structure en silice entièrement solide (pas d’inclusions d’air comme dans le cas des fibres microstructurées) et un profil transverse de type saut d’indice. Nous rappelons que, dans ces structures, le nombre de modes autorisés à se propager est déterminé par la valeur de la fréquence normalisée V73. Cette grandeur est elle-même proportionnelle au rayon du cœur de la fibre et à son ouverture numérique (qui dépend lui-même de la différence d’indice cœur/gaine). Ainsi, l’augmentation de la taille du cœur, à ouverture numérique constante, peut rapidement entraîner le passage d’une structure monomode à une structure multimode (V>2.405). Ce passage est également matérialisé sur l’exemple Figure II-9. L’enjeu du design

72 _{Les diamètres du cœur et de la fibre sont liés par une homothétie.} 73 _{𝑉 = 2𝜋𝑟}

𝑐𝑂𝑁/𝜆 avec rc le rayon du cœur de la fibre, ON son ouverture numérique et  la longueur d’onde de

et de la fabrication de ces fibres consiste alors à réaliser une première partie de fibre intrinsèquement monomode et une zone de transition dans laquelle l’augmentation de la taille du cœur soit à la fois suffisamment lente pour éviter tout couplage du mode fondamental vers d’autres modes dû à la variation de diamètre (transition adiabatique) et à la fois suffisamment rapide pour éviter tout couplage significatif dû aux perturbations (courbures, pressions…) entre le mode fondamental et les HOMs dans la zone multimode de la fibre [62]. En cas de succès, les avantages de l’utilisation de ce type de fibres rendent cette solution particulièrement pertinente pour notre application.

Figure II-9 : Exemple caractéristique du profil longitudinal d’une fibre effilée. Une image de la section transverse de la fibre est indiquée. Les trois zones précédemment identifiées sont indiquées ainsi que l’évolution de la fréquence normalisée de la fibre. Afin de pouvoir bénéficier des propriétés recherchées (fibre

LMA et monomode), la lumière doit se propager de droite à gauche. À noter que la fibre présentée ici est particulièrement longue. Afin de minimiser les effets non linéaires, une longueur inférieure à 3 m sera

privilégiée dans la suite (Issue de [63]).

En effet, cette stratégie d’évolution longitudinale de la taille du cœur de la fibre permet [64] :

 L’obtention de fibres LMA à comportement monomode.

 Un relâchement des contraintes sur la valeur de l’ouverture numérique de la fibre (diamètre de cœur réduit dans la zone intrinsèquement monomode) résultant en de plus faibles pertes par courbure que pour les fibres LMA classiques74.

 Augmentation de l’absorption de la pompe par unité de longueur en comparaison des fibres classiques75 (cas d’un pompage contra-propagatif).

 Filtrage intrinsèque de l’émission spontanée amplifiée (ASE pour l’anglais

Amplified Spontaneous Emission) se propageant en sens contra-propagatif au

signal.

 Facilité d’intégration accrue : soudure directe de ces fibres sur celles des étages d’amplification placés en amont (MFD et ouverture numérique d’entrées compatibles pour la minimisation des pertes).

74 _{Classique dans le sens d’une taille de cœur constante selon la direction de propagation. Il peut s’agir de fibres à}

saut d’indice ou microstructurées.

75 _{Classique dans le sens d’une taille de cœur constante selon la direction de propagation. Il peut s’agir de fibres à}

Ainsi, des systèmes basés sur ce type de fibres ont d’ores et déjà prouvé le potentiel de cette solution pour l’amplification d’impulsions de forte énergie/puissance crête. Afin de démontrer leur capacité à minimiser les effets non linéaires, des systèmes d’amplification d’impulsions picosecondes ont été développés. Plus pertinents pour notre problématique, des articles illustrant l’utilisation de ce type de fibres pour l’amplification d’impulsions nanosecondes ont également été publiés. On trouve notamment en 2014 un article présentant l’amplification d’impulsions de caractéristiques proches de celles dont il est question pour nos applications [65]. Le schéma de ce système ainsi que quelques résultats obtenus sont présentés Figure II-10. Ce système, dont le dernier étage est constitué d’une fibre effilée de 2,5 m présentant un diamètre de cœur de 25 µm en entrée et de 40 µm en sortie, a permis l’amplification d’impulsions de 8 ns et de faible largeur spectrale (quelques gigahertz à 1064 nm) jusqu’à une énergie de 27 µJ et une puissance crête de 3 kW. Ces niveaux semblent assez modestes mais l’explication de cette limitation ne réside pas dans l’apparition des effets non linéaire mais plutôt de la forte puissance moyenne recherchée (108 W obtenue grâce à une fréquence de répétition de 4 MHz).

(a) (b)

Figure II-10 : (a) Schéma du dispositif expérimental utilisé pour l’amplification d’impulsions de 8 ns et de quelques gigahertz de largeur spectrale (centré à 1064 nm). La fréquence de répétition du signal est fixée à 4 MHz. Le dernier étage d’amplification est basé sur une fibre effilée de 2,5 m avec un diamètre de cœur de 25 µm en entrée et de 40 µm en sortie. (b) Évolution de la puissance moyenne et de l’énergie par impulsion

en fonction de la puissance de pompe (Issues de [65]).

Plus importante en termes d’énergie et de puissance crête délivrées, mais plus éloignée de nos spécificités, une autre publication présente une cavité laser de type Q-switch basée sur une fibre effilée et délivrant des impulsions de 60 ns et 1,6 mJ (~24 kW) [66].

Ainsi, après la présentation du principe de base des fibres effilées, de leurs avantages et de démonstrations laser illustrant succinctement les performances accessibles avec ce type de solutions, il reste à identifier et sélectionner la fibre effilée idoine de notre application.