Simulations laser

Afin d’optimiser le design du laser, des simulations numériques sont effectuées avec la suite logiciel RP Photonics Fiber Power. Ce logiciel utilise un algorithme pour résoudre

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numériquement les modes dans la fibre et simule la propagation de puissance et de directions différentes dans la fibre, en incluant leur interaction. Simultanément, les équations de niveaux des atomes d’ytterbium sont résolues afin d’inclure le gain et l’absorption sur chacun de ces faisceaux propagés [78]. Des détails sur les équations de niveau et de puissance sont données dans [33] et [79].

Ces simulations numériques permettent d’obtenir plus d’information sur le signal et sur la pompe à l’intérieur de la cavité, ce qui est très utile pour optimiser les paramètres tels que la longueur de la fibre à utiliser. Notons que les paramètres utilisés correspondent à ceux des fibres optiques

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Figure 4.4 : Distribution de puissance dans la fibre de gain entre des FBG pour une cavité laser en fibre CorActive 13/200 d’une longueur de 25 m pompée en co-propagation.

Figure 4.5 : Puissance maximale et pompe résiduelle selon différentes longueurs de fibre de gain dans la cavité laser en fibre CorActive 13/200 pour une puissance pompe fixée à 354 W, en co-propagation.

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utilisées et que l’inscription des FBG dans la fibre de gain est considérée. Une réflectivité de 99% est utilisée pour le HR-FBG combiné à une réflectivité de 10% pour le LR-FBG.

La Figure 4.4 présente la distribution de puissance de la pompe et du signal dans les deux directions de propagation pour une cavité laser de 25 m basée sur la fibre CorActive 13/200 pompée en co-propagation. On peut y voir l’absorption progressive de la pompe, qui est directement proportionnelle à l’inversion de population. Après avoir parcouru la fibre, toute la puissance pompe ne sera pas absorbée et une partie de la pompe sera transmise sans avoir interagie avec les ions d’ytterbium dans la fibre. Nommée pompe résiduelle, cette puissance pompe n’est pas convertie en émission laser et va donc diminuer directement l’efficacité laser mesurée, en plus de polluer le signal transmis par le laser. D’ailleurs, la présence du CMS (Figure 2.7) découle de la nécessité d’évacuer cette puissance pompe résiduelle.

À la Figure 4.5, on voit qu’il est possible de diminuer la pompe résiduelle en augmentant la longueur de fibre de gain, augmentant du même coup l’efficacité laser et la puissance maximale. Qui plus est, la Figure 4.5 montre que la longueur optimale de la fibre de gain à utiliser pour une puissance maximale de sortie est de 36 m. Au-delà de cette longueur optimale de 36 m, malgré qu’il reste un niveau de pompe résiduelle non-nul, l’inversion de population devient trop faible pour offrir un gain suffisant au laser et le signal sera donc partiellement réabsorbé par les ions d’ytterbium non-inversés. On peut voir qu’il existe une longueur optimale de fibre de gain à utiliser et cette longueur changera pour chaque fibre de gain, longueur d’onde d’émission et de pompe et chaque architecture de pompage. Dans les travaux présentés au chapitre 5, une longueur de fibre de 25 m est utilisée en raison de la disponibilité de la fibre optique, puisqu’un bris est survenu lors de l’assemblage du laser. Si l’objectif du projet avait été de maximiser l’efficacité laser, une longueur de 36 m aurait été utilisée.

Pour leur part, les figures 4.6 et 4.7 présentent la distribution de puissance dans la cavité laser sans épissure en fibre Nufern LMA-YDF-20/400 en co-propagation et en contra-propagation, respectivement. À la Figure 4.6, on peut remarquer que la longueur de fibre utilisée est trop grande et qu’une faible réabsorption du signal a lieu dans les 10 derniers mètres. La longueur optimale de cette cavité laser est de 33 m, valeur très proche de la cavité laser en fibre de haute luminosité (CorActive 13/200).

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À la Figure 4.7, on voit que la distribution de puissance dans la cavité laser en contra-propagation a une allure bien différente des deux cavités pompées en co-propagation. Avec cette architecture de pompage, l’inversion de population, et donc le gain laser, est très forte à la fin de la fibre, près du LR-FBG, ayant pour effet de générer une majeure partie de la puissance émise dans les derniers mètres de fibre. Qui plus est, la longueur de fibre optimale est plus grande pour cette configuration de pompage, soit à 44 m. Quoi que plus complexe à réaliser expérimentalement, cette configuration laser est plus efficace et plus performante, car l’inversion de population est très forte à l’endroit où le signal est le plus fort, maximisant ainsi l’efficacité laser. De plus, il a été démontré expérimentalement que l’impact des effets non-linéaires est moindre avec cette configuration laser [24], comportement explicable par la densité de puissance qui circule dans la cavité laser. En effet, en co-propagation (Figure 4.6), une grande puissance est générée dans les premiers 25 m et elle augmente très peu par la suite, ayant pour effet d’avoir un signal puissant se propageant sur près de la moitié de la cavité, laissant beaucoup de distance pour permettre l’accumulation des effets non-linéaires. Par contre, en contra-propagation (Figure 4.7), une faible puissance est présente sur la longueur de la cavité et une grande puissance est générée dans les 5 derniers mètres, laissant au faisceau puissant beaucoup moins de distance pour cumuler les effets non-linéaires. La longueur de fibre passive utilisée entre la cavité laser et la sortie au câble de livraison vient aussi générer des effets non-linéaires, il est donc avantageux de minimiser la longueur de cette fibre.

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Figure 4.6 : Distribution de puissance dans la fibre de gain entre des FBG pour une cavité laser en fibre Nufern 20/400 d’une longueur de 47 m pompée en co-propagation.

Figure 4.7 : Distribution de puissance dans la fibre de gain pour une cavité laser en fibre Nufern 20/400 d’une longueur de 47 m pompée en contra-propagation.

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