Cavités laser de haute puissance sans épissure
Mémoire
Samuel Gouin
Maîtrise en physique
Maître ès en sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Samuel Gouin, 2018
Cavité laser de haute puissance sans épissure
Par inscription de réseaux de Bragg dans la fibre de gain
Mémoire
Samuel Gouin
Sous la direction de :
Martin Bernier, directeur de recherche
Réal Vallée, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Dans un contexte économique florissant, le développement des lasers à fibre de haute puissance permet de rendre cette technologie accessible et utile dans plusieurs domaines. Les manufacturiers de lasers doivent sans cesse trouver des méthodes pour améliorer les performances, la fiabilité et la productivité de leurs systèmes afin d’occuper une part importante du marché. L’inscription de réseaux de Bragg fibrés (FBG) dans un segment ininterrompu de fibre de gain permet de faire une cavité laser sans épissure, rendant une telle cavité plus robuste, plus rapide à réaliser et lui conférant une efficacité laser supérieure.
Les expériences effectuées ont permis de démontrer qu’il est possible d’inscrire des FBG dans une fibre dopée à l’ytterbium d’une réflectivité assez grande et de pertes par échauffement suffisamment faibles pour assembler une cavité laser émettant une puissance de 538 W avec une efficacité de 77%, la puissance maximale étant limitée par la puissance de pompe disponible. Malgré tout, on trouve par extrapolation que les FBG peuvent avoir un échauffement assez faible pour supporter une émission laser de 1030 W. Par ailleurs, les différentes cavités lasers réalisées ont montré qu’il est difficile de faire une cavité sans épissure en fibre de haute luminosité puisque le filtrage modal par injection ne peut être utilisé. Toutefois, il est possible de faire une cavité laser monomode avec une fibre à large aire modale et le pompage en contra-propagation permet d’atteindre une efficacité laser très élevée de 77% (78% à basse puissance). Les simulations numériques ont permis de comprendre que la distribution de puissance dans la cavité laser génère un échauffement inégal des FBG, rendant nécessaire de prendre des considérations supplémentaires pour éviter le décalage spectral entre les FBG.
Néanmoins, le projet a su montrer qu’il est envisageable de commercialiser un laser sans épissure émettant 1 kW dans un avenir rapproché et que la technologie en place permettrait une telle réalisation.
iv
Abstract
In a rapidly growing market, high power fiber laser development is key in making this technology available to a large number of industries. Laser manufacturers must constantly develop new methods to upgrade lasers performances and reliability if they want to keep a significant market share. Fiber Bragg gratings (FBG) inscription in a continuous doped fiber segment allows the possibility for a splice less laser cavity, such a laser cavity being more reliable, faster to build and granting higher laser efficiencies.
The experiments demonstrated the feasibility of FBG inscription in an ytterbium doped fiber with a sufficient reflectivity and low enough heating losses to withstand an emission power of 538 W with 77% laser efficiency, the maximum power being currently limited by the available pump power. By extrapolating the data, it is found that the gratings have a low enough heating slope to support a laser emission of 1030 W. The different laser cavities assembled showed that it is very difficult to make a splice less single mode laser cavity in a high brightness fiber, because the injection mode filtering technique cannot be used. However, it has been shown that by using a large mode area fiber (LMA), a splice less single mode laser cavity can be made and that counter-pumping yields the best efficiency. Numerical simulations allowed us to understand that the power distribution inside of the laser creates an uneven heating between the FBG, making extra considerations mandatory to avoid spectral shift between the gratings.
The project has shown that it is conceivable to commercialise a splice less laser emitting 1 kW in a near future and that the current available technology would allow such a realisation.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... ix
Liste des figures ... x
Liste des abréviations et des variables ... xv
Remerciements ... xx
1. Introduction ... 1
1.1 Intérêt pour les lasers à fibre de haute puissance... 1
1.2 Réseaux de Bragg dans une configuration laser ... 4
1.3 Structure du document ... 8
2. Lasers à fibre de haute puissance industriels ... 10
2.1 Fondements théoriques des lasers à fibre de haute puissance ... 10
2.1.1 Les fibres à saut d’indice ... 10
2.1.2 Les fibres à double gaine ... 13
2.1.3 Spectroscopie de la transition laser Ytterbium ... 14
2.1.4 Les dopants ... 18
2.1.5 Les combinateurs de pompe ... 20
2.1.6 Expulseur de modes de gaine ... 21
2.1.7 Câble de livraison ... 22
vi
2.2 Les limitations des lasers à fibre de haute puissance... 25
2.2.1 Photo-noircissement ... 25
2.2.2 Effets non-linéaires... 26
2.2.3 Émission monomode ... 31
3. Les FBG comme réflecteurs laser ... 34
3.1 Théorie sur les réseaux de Bragg ... 35
3.1.1 Longueur d’onde de Bragg et réflectivité maximale ... 35
3.1.2 Réseaux de Bragg à pas variable ... 37
3.2 Mécanismes de changement d’indice ... 39
3.2.1 Mécanisme de changement d’indice par irradiation UV ... 40
3.2.2 Processus de filamentation ... 41
3.2.3 Mécanismes de changement d’indice par irradiation femtoseconde ... 43
3.2.4 Avantages de l’inscription par irradiation femtoseconde ... 45
3.3 Méthodes d’inscription ... 46
3.3.1 Réseaux de Hill ... 46
3.3.2 Méthode par interférence de faisceaux ... 47
3.3.3 Méthode point-par-point ... 48
3.3.4 Méthode de balayage du masque de phase ... 49
4. Inscription de FBG dans les fibres dopées ... 53
4.1 Simulations numériques ... 53
4.1.1 Simulations de propriétés des FBG cibles pour l’atteinte des objectifs ... 54
4.1.2 Simulations laser ... 56
4.2 Montage expérimental ... 62
4.3 Optimisation de la procédure d’inscription de FBG ... 63
4.3.1 Méthodologie utilisée pour développer le processus d’inscription ... 63
4.3.2 Impact des paramètres d’inscription et de vieillissement sur la qualité des FBG ... 65
4.3.3 Analyse des résultats ... 71
vii
5.1 Design de la cavité et montage expérimental ... 73
5.2 Assemblage du laser ... 75
5.2.1 Réseaux de Bragg inscrits ... 75
5.2.2 Épissures... 79
5.3 Caractérisation du laser ... 80
5.3.1 Puissance et efficacité ... 80
5.3.2 Comportement spectral ... 82
5.3.3 Profil d’émission ... 84
5.3.4 Émission laser en sens inverse ... 85
5.4 Discussion ... 88
6. Laser sans épissure en fibre optique à large mode (LMA) ... 90
6.1 Design de la cavité laser LMA et montage expérimental ... 90
6.1.1 Éléments mécaniques ... 91
6.1.2 Épissures... 94
6.1.3 Réseaux de Bragg inscrits ... 95
6.2 Caractérisation du laser en co-propagation ... 97
6.2.1 Puissance et efficacité ... 97
6.2.2 Comportement spectral ... 98
6.2.3 Émission laser en sens inverse ... 99
6.2.4 Diffusion Raman stimulée (SRS) ... 101
6.3 Caractérisation du laser en contra-propagation ... 103
6.3.1 Puissance et efficacité ... 103
6.3.2 Comportement spectral ... 104
6.3.3 Émission en sens inverse ... 105
6.3.4 Diffusion Raman stimulée (SRS) ... 107
6.4 Discussion ... 108
viii
ix
Liste des tableaux
Tableau 4.1 : Extrapolation de la puissance tolérée par un FBG dans les fibres non dopées HI1060 pour différentes températures de vieillissement ... 68 Tableau 4.2 : Extrapolation de la puissance tolérée des FBG dans les fibres dopées
CorActive 13/200 ... 71 Tableau 5.1 : Réflectivité pour atteindre le seuil laser dans la cavité parasite selon
x
Liste des figures
Figure 1.1 : Revenus par type de laser industriel en M$USD, tiré de [3] Source : Laser Markets Research/Strategies Unlimited, ©PennWell. ... 2 Figure 1.2 : Configuration laser couramment utilisée en industrie ... 4 Figure 1.3 : Configuration laser sans épissure ... 6 Figure 2.1 : Proportion de puissance dans le cœur et la gaine pour chaque mode selon le nombre V. Tiré de [21]. ... 12 Figure 2.2 : Section transversale d’une fibre de gain à double gaine et son profil d’indice de réfraction. ... 14 Figure 2.3 : Schéma d’énergie des niveaux des transitions laser traditionnelles à 3 ou 4 niveaux. Adapté de [23]... 15 Figure 2.4 : Section efficace d’absorption et d’émission de l’Yb3+ dans une matrice vitreuse co-dopée au phosphore et co-dopée à l’aluminium. Données tirées de [24]. ... 17 Figure 2.5 : Schéma de niveaux de la transition laser de l’ytterbium dans la silice,
typiquement utilisée pour les LFHP. Tiré de [27] ... 18 Figure 2.6 : Les deux types de combinateurs de pompe monolithiques utilisés sur le marché (a) combinateur par le bout et (b) combinateur par le côté. Image tirée de [9]. ... 20 Figure 2.7 : Architectures à un étage de LFHP. Avec pompage A) en co-propagation; B) en contra-propagation; C) en bi-propagation. ... 24 Figure 2.8 : Génération de photons de nouvelles fréquences par mélange à quatre ondes (FWM) en raison de la non-linéarité de la fibre. ... 28 Figure 2.9 : Schéma de la collision inélastique d’un photon lors de la diffusion Raman. ... 30 Figure 2.10 : Mesures de l’élargissement spectral et de la SRS dans un LFHP réalisées par Brown-Dussault dans [24]. ... 31 Figure 3.1 : Modification périodique d’indice de réfraction dans le cœur d’une fibre optique qui constitue un FBG. ... 35
xi
Figure 3.2 : Schéma d’un FBG ayant un glissement de fréquence (chirp). ... 37 Figure 3.3 : Variation de la réflectivité d’un FBG de L = 10 mm et pour différentes valeurs de C. ... 39 Figure 3.4 : Mécanisme de génération de centres de couleur par irradiation UV dans la silice. Un lien Ge-O-Si est brisé par un photon à 240 nm et un ion d’hydrogène présent vient se lier, empêchant la recombinaison du lien. Adapté de [53]. ... 40 Figure 3.5 : Mesure par réfractométrie du changement d’indice généré par un filament laser dans une fibre de silice sans cœur. Tiré de [60]. ... 42 Figure 3.6 : Processus d’ionisation d’électron par a) absorption linéaire; b) ionisation par effet tunnel; c) absorption de plusieurs photons. ... 44 Figure 3.7 : Montage permettant l’inscription d’un réseau de Hill. ... 47 Figure 3.8 : Schéma d’un montage d’inscription de FBG par interférence de faisceaux. .... 48 Figure 3.9 : Schéma de montage d’inscription de FBG par la méthode point par point (PbP) ... 49 Figure 3.10 : Schéma de montage d’inscription de FBG par la méthode du masque de phase. ... 50 Figure 4.1 : Modèle de simulation par éléments finis pour déterminer les pertes par
échauffement maximales tolérables. Gauche : l’élévation de température selon la position transversale de la fibre. Droite : géométrie de la fibre placée dans le sillon rempli de polymère. Puisque la fibre sera déposée, la distance entre le verre et le sillon est la même que l’épaisseur du polymère protecteur de la fibre d’origine, soit 50 μm. ... 54 Figure 4.2 : Profil d’échauffement thermique d’une fibre sans polymère de protection dans l’air, refroidie seulement par convection naturelle ... 55 Figure 4.3 : Simulation d’un FBG au changement d’indice minimum (6×10-4) pour
atteindre la cible de 3 nm de réflectivité à -20 dB de transmission. ... 56 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. ... 58 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. ... 58
xii
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. ... 61
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. ... 61
Figure 4.8 : Montage d’inscription de réseaux de Bragg par irradiation femtoseconde, tiré de [60]. ... 62
Figure 4.9 : Montage utilisé pour caractériser les pertes et la largeur spectrale des FBG inscrits ... 64
Figure 4.10 : Évolution du changement d’indice et des pertes en fonction du temps de vieillissement à 400 °C. ... 65
Figure 4.11 : Évolution de la modulation d’indice des FBG dans la fibre passive HI1060 selon la température de vieillissement et les conditions d’inscription. ... 67
Figure 4.12 : Évolution des pertes par absorption des FBG dans la fibre passive selon la température de vieillissement et les conditions d’inscription. ... 67
Figure 4.13 : Évolution de la modulation d’indice des FBG dans la fibre dopée CorActive 13/200 selon la température de vieillissement. ... 69
Figure 4.14 : Évolution des pertes des FBG dans la fibre dopée CorActive 13/200 selon la température de vieillissement. Les lignes pointillées rappellent les résultats obtenus dans la fibre non dopée (Figure 4.12). ... 69
Figure 5.1 : Design mécanique du laser pour faciliter l’assemblage et le transport. ... 74
Figure 5.2 : Réponse spectrale du HR-FBG après vieillissement à 410 °C pendant 40 minutes. On peut apercevoir en transmission (rouge) différents plateaux, qui correspondent à la réponse multimode du FBG. ... 76
Figure 5.3 : Réponse spectrale du LR-FBG. ... 78
Figure 5.4 : Zoom du spectre en transmission du LR-FBG. ... 78
Figure 5.5 : Schéma de laser sans épissure réalisé en laboratoire ... 80
Figure 5.6 : courbe d’efficacité de la cavité laser sans épissure en fibre de haute luminosité, pompée en co-propagation... 81
xiii
Figure 5.7 : Spectre émis par le laser en fibre de haute luminosité CorActive 13/200, pompé en co-propagation en fonction de la puissance de sortie. ... 82 Figure 5.8 : Simulations numériques de la réflectivité de chaque mode par le LR-FBG dans la fibre 13/200 utilisée. ... 84 Figure 5.9 : Intensiré d’émission du laser en fonction de la position angulaire (NA) mesuré à la sortie de la fibre de gain multimode ... 85 Figure 5.10 : Courbe d’efficacité de la cavité laser parasite en direction opposée. ... 87 Figure 5.11 : Spectre du signal émis en direction opposée du laser (mesuré par la branche de retour du combinateur) où la puissance indiquée est la puissance signal émise par le système laser vers sa sortie. ... 87 Figure 6.1 : Pertes des modes de propagation de la fibre selon le diamètre d’enroulement, où l’on peut voir qu’un rayon de courbure de 70 mm (140 mm de diamètre) induit des pertes majeures pour les modes supérieurs, mais très faibles pour le mode fondamental. .. 92 Figure 6.2 : Durée de vie en années selon le diamètre d’enroulement d’une fibre de 400 μm de diamètre de gaine pour atteindre une probabilité de bris de 0,1%. Pour un diamètre de 140 mm, la durée de vie est de 13 612 années. Modèle tiré de [84]. ... 92 Figure 6.3 : Plaque utilisée pour manipuler et refroidir la fibre de gain lors de la réalisation du laser et des tests de caractérisation. ... 94 Figure 6.4 : Spectres en réflexion des FBG inscrits dans la cavité laser 20/400. Les mesures sont effectuées par les grandes longueurs d’onde, impliquant de très fortes pertes par modes de gaine, tel qu’observé sur le spectre du HR-FBG. ... 96 Figure 6.5 : Courbe laser de la puissance émise en fonction de la puissance pompe envoyée dans la fibre Nufern 20/400 pompée en co-propagation. ... 98 Figure 6.6 : Spectre émis par la cavité laser en fibre LMA Nufern 20/400 pompée en co-propagation. La résolution spectrale de mesure est de 0,1 nm. ... 99 Figure 6.7 : Puissance émise par la cavité laser du côté du HR-FBG en fonction de la puissance signal totale. On remarque une augmentation non-linéaire, signe d’un
débordement en longueur d’onde du HR-FBG. ... 100 Figure 6.8 : Spectre de l’émission du côté du HR-FBG pour le laser LMA en
xiv
Figure 6.9 : Réjection Raman du laser LMA en co-propagation mesuré à l’OSA avec une résolution de 1 nm. ... 102 Figure 6.10 : Courbe laser de la puissance émise en fonction de la puissance pompe
envoyée dans la fibre Nufern 20/400 pour la cavité en contra-propagation. ... 103 Figure 6.11 : Spectre émis par la cavité laser en fibre LMA en architecture
contra-propagation. Mesuré à l’OSA avec une résolution de 0,1 nm. ... 104 Figure 6.12 : Spectre de l’émission du côté du HR-FBG pour le laser LMA (Nufern 20/400) en contra-propagation. ... 106 Figure 6.13 : Puissance émise par la cavité laser du côté du HR-FBG en fonction de la puissance signal totale. On remarque une augmentation non-linéaire, signe d’un
débordement en longueur d’onde du HR-FBG... 106 Figure 6.14 : Aucune réjection Raman n’a pu être mesurée du laser LMA (Nufern 20/400) en contra-propagation à 538 W. Mesuré à l’OSA avec une résolution de 1 nm. ... 107 Figure 6.15 : Spectres normalisés de chaque cavité laser assemblée à une puissance émise de 200 W. ... 110
xv
Liste des abréviations et des variables
Symbole Description Unité
LIDAR Télédétection par laser, de l’anglais Light detection
and ranging
LFHP Laser à fibre de haute puissance
FBG Réseau de Bragg fibré, de l’anglais fiber Bragg
grating
HR Haute réflectivité
LR Faible réflectivité, de l’anglais low reflectivity
OC Coupleur de sortie, de l’anglais output coupler
CMS Éjecteur de modes de gaine, de l’anglais cladding
mode stripper
UV Ultraviolet
PbP Point par point, de l’anglais point by point
LMA Large aire de mode, de l’anglais large mode area
a Rayon du cœur de la fibre [μm]
Nombre V Fréquence normalisée
xvi
n Indice de réfraction du milieu
λ Longueur d’onde [nm]
Nm Nombre de modes guidés
q Défaut quantique p Photon de pompe s Photon signal E Énergie du photon [J] h Constante de Plank [m2 kg / s] ν Fréquence du photon [Hz]
MCVD Modified chemical vapor deposition
BR Ratio de brillance
Din Diamètre d’entrée du groupe de fibres [m]
Dout Diamètre de sortie du groupe de fibres [m]
PN Photo-noircissement
TC Transfert de charge
ALOHC Centres-trous Al-oxygène, de l’anglais aluminium
xvii
CC Centres colorés
Permittivité du vide [m-3 kg-1 s4 A2]
Tenseur de susceptibilité d’ordre i
I Intensité de lumière [W/m2]
FWM Mélange à quatre ondes, de l’anglais four waves
mixing
SRS Diffusion Raman stimulée, de l’anglais stimulated
Raman scattering
Pcr Puissance Raman critique [W]
gr Gain Raman de la fibre
Λres Pas du réseau [nm]
Changement d’indice périodique
λB Longueur d’onde de Bragg [nm]
N Ordre du réseau
Intégrale de recouvrement de deux modes dans une fibre optique
̅̅̅̅ composante dc du changement d’indice
Δλ Largeur de réflectivité d’un FBG [nm]
xviii
C Paramètre de glissement en fréquence, chirp [nm/cm]
Pc Puissance critique d’auto-focalisation [W]
zf Distance d’auto-focalisation [m]
k Nombre d’onde [m-1]
LPG Réseau de Bragg à pas long
θ Angle d’interférence entre les faisceaux [radians]
β Coefficient de dissipation thermique [°C/W]
ASE Émission spontanée amplifiée, de l’anglais
amplifier spontaneous emission
OSA Analyseur de spectre optique, de l’anglais optical
spectrum analyser
xix
Tout seul on va plus vite, ensemble on va plus loin.
xx
Remerciements
Tout d’abord, je souhaite remercier mon directeur chez TeraXion, François Trépanier, pour m’avoir donné cette opportunité de projet et pour m’avoir soutenu tout au long de mon projet. Merci d’avoir cru en moi et d’avoir pris le temps de me soutenir lorsque j’en avais besoin. Également, je veux remercier mon directeur de recherche au centre d’optique photonique et laser (COPL) Martin Bernier, également pour avoir rendu le projet possible et pour m’avoir soutenu lorsque j’en avais besoin, tout en m’apprenant à apprendre à me faire confiance et à me débrouiller. Merci également à mon co-directeur au COPL, Réal Vallée, d’avoir rendu ce projet possible et de m’avoir donné l’opportunité pendant plusieurs années de me développer dans le domaine de la recherche, me donnant ainsi une expérience plus que nécessaire à la réussite de ce projet.
Ensuite, je souhaite remercier ma femme Laurence Laurin pour son grand support tout au long de mes études graduées. Merci de m’avoir soutenu dans les moments plus difficiles et de m’avoir appris à viser plus loin.
Je souhaite également remercier mes collègues qui ont donné de leur temps pour répondre à mes questions et pour m’avoir aidé dans la réalisation de ce projet. En premier lieu, merci à Evelyne Brown-Dussualt de TeraXion, pour m’avoir supporté dans toutes les parties touchant aux lasers de haute puissance, surtout dans les sections expérimentales. En deuxième lieu, Guillaume Brochu de TeraXion, qui m’a grandement aidé avec toutes les simulations numériques, en plus de m’apprendre beaucoup sur le comportement des lasers et de m’aider à prendre des décisions sur la suite du projet. En troisième lieu, Frédéric Maes, ami et collègue étudiant au COPL, nos nombreuses discussions sur les différents projets ont permis de générer des idées qui furent très utiles. Pour terminer, je souhaite remercier tous les gens qui m’ont aidé lors de la réalisation du projet. Du COPL : Joé Habel et Yigit Ozan Aydin; de TeraXion : Pierre-Michel Belzile, Martin Lanteigne, Sylvain Boudreau, Alain Mailloux et Mathieu Faucher.
xxi
Par ailleurs, merci à l’organisme Mitacs pour le financement au projet, merci à TeraXion pour son engagement financier et merci au Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) pour le financement du projet à travers la chaire de recherche industrielle du professeur Réal Vallée.
Finalement, merci à tous ceux qui ont cru en moi ainsi qu’aux poussières, qui m’ont appris que le diable est dans les détails et que le dieu des lasers est dans la propreté.
1
Chapitre 1
1.
Introduction
1.1
Intérêt pour les lasers à fibre de haute puissance
En 2018, rares sont les gens qui ignorent que les lasers ont une importance capitale dans un très grand nombre d’industries, telles que les télécommunications, l’usinage de matériaux, la médecine et la défense et sécurité, pour n’en nommer que quelques-uns. Grâce à leur versatilité, aux puissances accessibles de plus en plus grandes et aux nouvelles longueurs d’onde disponibles, les lasers ont un nombre pratiquement incalculable d’applications, pouvant servir d’instrument de puissance extrême (arme laser de la US Navy [1]) ou de précision extrême (détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO [2]). Cependant, ce n’est pas tout le monde qui saisit toute l’ampleur du marché des lasers : d’une valeur totale de 12.43 G$USD pour l’année 2017 seulement, avec une croissance annuelle impressionnante de 18 % [3]. Par ailleurs, dans un rapport produit en 2015, le groupe Goldman Sachs [4] projette que le LIDAR constituera à lui seul un marché de 10.25 G$USD en 2025; il ne fait donc aucun doute que le marché des lasers sera en pleine croissance pour plusieurs années à venir et que les innovations technologiques dans ce domaine seront rentables très rapidement.
2
Figure 1.1 : Revenus par type de laser industriel en M$USD, tiré de [3] Source : Laser Markets Research/Strategies Unlimited, ©PennWell.
Si l’on décortique un peu le marché, on peut voir que le secteur industriel de l’usinage de matériaux est un secteur très important, tout juste devant les télécommunications. Plus particulièrement, on peut apercevoir à la Figure 1.1 que les lasers à fibre de haute puissance (LFHP) connaissent une très forte croissance de 34% entre 2016 et 2017, au détriment des lasers au CO2 et à l’état solide.
L’accessibilité des diodes lasers de haute puissance, de la fibre optique de qualité supérieure et des composantes qui, chaque année, sont moins onéreuses et plus performantes confèrent aux lasers à fibre un coût d’achat et d’opération bien inférieur à celui des autres types de lasers industriels, qui sont tranquillement remplacés par les LFHP [5]. Néanmoins, le groupe Laser Focus World prévoit que la croissance du marché des lasers, qui a été très grande en 2017, reviendra à un niveau plus modeste en 2018, en raison du ralentissement des dépenses en équipement par les manufacturiers utilisant la technologie laser (les dépenses suite à l’acquisition d’un système d’usinage laser diminuent après l’acquisition de ce dernier). De plus, les lasers à fibre possèdent une robustesse inégalée en raison du caractère intrinsèque des fibres optiques : les LFHP ne nécessitent aucun alignement et très peu d’entretien lors d’une utilisation à long terme, ce qui explique également la montée en popularité de ce type de laser. Également, la géométrie de la fibre optique permet une dissipation thermique incomparable, une résistance aux vibrations et une qualité de faisceau presque parfaite en régime monomode [6].
3
Les récents travaux partagés par la compagnie IPG Photonics nous apprennent qu’un laser à fibre dopée à l’ytterbium d’une puissance impressionnante de 20 kW est disponible en régime monomode [7] ; cet exploit nécessite toutefois du pompage intra-bande et une amplification à plusieurs étages. Il a été prédit qu’en utilisant judicieusement le pompage intra-bande, une puissance monomode maximale théorique de 70 kW peut être atteinte [8], mais de telles puissances exigent un cœur de fibre très grand : il serait donc très difficile d’opérer un tel laser en régime monomode stable. On peut toutefois croire qu’il sera possible de réaliser des LFHP monomodes robustes de ~25 kW [9]. À ce jour, une puissance monomode de 5 kW a été atteinte en pompant seulement par diode laser par un groupe de l’université de Tianjin en Chine [10]. En régime multimode, une puissance continue impressionnante de 500 kW [7] est rapportée par IPG Photonics, une puissance tellement grande qu’un puissance-mètre par pression de photons doit être utilisé pour avoir une mesure de puissance émise fiable sans endommager le détecteur [11]. Le fonctionnement d’un tel détecteur diffère de celui des calorimètres traditionnels : un miroir réfléchit le faisceau laser émis avec un angle donné et des capteurs sensibles mesurent la pression appliquée sur le miroir, qui sera proportionnelle à la puissance incidente, car tel qu’il a été démontré par Compton en 1922, les photons possèdent une quantité de mouvement non-nulle [12] et vont donc exercer une force très faible en étant réfléchis.
Les limites de puissance émise par les lasers à fibre sont continuellement repoussées et il ne fait aucun doute que l’accessibilité à de telles puissances permettra l’utilisation des lasers à fibre dans différents marchés et catalysera certainement de nouvelles applications pour les LFHP. Ainsi, malgré la simplicité inégalée de ces lasers, encore beaucoup de recherche et de développement de nouvelles techniques et technologies peuvent être effectués pour augmenter la qualité et la fiabilité des LFHP, ainsi que pour réduite leur coût de fabrication.
4
1.2
Réseaux de Bragg dans une configuration laser
Tel qu’il l’a été mentionné à la section précédente, les LFHP les plus répandus en industrie ont un schéma de fonctionnement assez simple, présenté à Figure 1.2.
Figure 1.2 : Configuration laser couramment utilisée en industrie
La plupart des manufacturiers de LFHP utilisent cette configuration, car elle est l’une des moins dispendieuses et des plus simples à assembler, notamment parce que les composantes nécessaires sont à leur forme la moins complexe et la moins dispendieuse. D’abord, un arrangement de diodes laser de pompe, souvent au nombre de 6, 13 ou 19, est assemblé sur un combinateur, pour obtenir des puissances de pompe très importantes dans une fibre multimode. La puissance pompe est injectée dans la gaine de la fibre de gain à double gaine et l’ytterbium contenu dans le cœur de cette dernière absorbera la puissance pompe émise par les diodes sur la longueur de la fibre, permettant de répartir l’échauffement causé par le pompage. Les ions d’ytterbium ainsi pompés vont donc émettre une puissance signal à une longueur d’onde contrôlée par des réseaux de Bragg fibrés (fiber Bragg gratings, FBG) installés à chaque extrémité de la fibre de gain. Les FBG consistent en un arrangement périodique de plans transverses au cœur de la fibre ayant un indice de réfraction plus élevé (la théorie relative aux FBG est détaillée au chapitre 4). Les réseaux de haute réflectivité (high reflectivity, HR) et de faible réflectivité (low reflectivity, LR) réfléchissent à la même longueur d’onde. Ils génèreront donc une cavité résonnante dans la fibre de gain, permettant ainsi d’obtenir l’effet laser et de contrôler la longueur d’onde d’émission. Une partie de la puissance dans la fibre de gain est prélevée par la transmission partielle du LR-FBG, parfois nommé coupleur de sortie (output coupler, OC), pour être utilisée à la sortie. Pour
5
le reste, les éléments en aval du laser ne servent pas à émettre plus de puissance, mais sont nécessaires pour éviter les bris et rendre le système laser durable. D’abord, l’expulseur de modes de gaine (cladding mode stripper, CMS) permet d’expulser la puissance de pompe résiduelle se propageant dans la gaine en toute sécurité; la puissance signal étant émise et contenue dans le cœur de la fibre. Le câble de livraison sert à acheminer le faisceau laser à l’endroit désiré et un embout ayant un revêtement anti-réflectif est installé à la sortie du laser pour protéger le bout de la fibre et éviter les réflexions parasites vers le système.
Pour un manufacturier de LFHP, l’assemblage consiste principalement d’épissures (ou fusions) entre les différentes composantes du laser. Comme on le voit à la Figure 1.2, un minimum de 4 épissures, souvent plus, sont nécessaires et chaque épissure introduit des pertes et une difficulté considérable de réalisation, qui peut limiter l’efficacité du laser et qui est souvent à l’origine des bris. D’ailleurs, on peut voir sur le schéma que la fusion la plus critique et la plus difficile à réaliser est celle de l’injection de la puissance pompe dans la fibre de gain (en mauve).
Il y a donc un intérêt marqué pour diminuer le nombre de fusions nécessaires à l’assemblage d’un laser, qui augmenterait la fiabilité des lasers assemblés et diminuerait du même coup le temps nécessaire à l’assemblage. Il est possible de réaliser un tel exploit en inscrivant les FBG directement dans la fibre de gain, qui enlève deux fusions critiques et nécessaires à l’assemblage, tel qu’on peut le voir à la Figure 1.3. Qui plus est, avec cette configuration, aucune fusion n’est présente entre les deux FBG. Puisque les photons sont réfléchis entre les deux FBG, ces épissures intra-cavité introduisent des pertes à chaque passage du photon et l’absence de ces pertes aura un effet considérable sur l’efficacité des cavités laser.
6
Figure 1.3 : Configuration laser sans épissure
Toutefois, la réalisation d’un tel laser comporte plusieurs défis techniques, car il est impossible d’utiliser la méthode classique d’inscription de FBG par rayonnement ultraviolet (UV) [13], [14], sans introduire de gigantesques pertes. La stratégie consiste à inscrire directement les réseaux dans la fibre dopée par inscription laser femtoseconde, ce qui permet de former la cavité laser dans un segment de fibre ininterrompu, simplifiant ainsi grandement l’assemblage de la cavité laser. La première approche, réalisée par Jovanovic et al. [15], consiste à inscrire un FBG par la méthode ‘point par point’ (Point by Point, PbP) et à utiliser la réflexion de Fresnel à l’autre bout de la fibre, qui est clivée à angle droit, comme coupleur de sortie de la cavité. Cette derniere, pompée en contra-propagation (les explications sur les architectures de pompage se trouvent à la section 2.1.8), a permis d’obtenir une efficacité laser de 64% et une puissance maximale de sortie de 103 W [15] en utilisant un FBG fortement réflectif en bout de cavité. Toutefois, la méthode PbP induit de la biréfringence dans la fibre [16] et des pertes permanentes associées au dommage optique à la base du changement d’indice [17] qui imposent des compromis dans le choix de la géométrie de la cavité laser et empêchent ultimement une opération du laser en régime kW. Une seconde approche proposée par Bernier et al. [18] consiste à inscrire les FBG par la technique de balayage du masque de phase par irradiation femtoseconde, qui est couramment utilisée pour inscrire les FBG traditionnels (inscription UV). Pour obtenir des réseaux d’ordre fondamental qui assurent des performances optimales, il est nécessaire de convertir les impulsions femtosecondes provenant d’un laser Titane:Saphir de 800 nm à 400 nm par doublage non-linéaire de fréquence. En inscrivant des réseaux de haute réflectivité (HR) et de faible
7
réflectivité (LR) dans la fibre de gain, une cavité monolithique ayant une géométrie conventionnelle a été démontrée, avec une efficacité laser de 70% et une puissance de sortie maximale de 175 W, limitée par la puissance de pompe disponible [19]. L’inscription d’un LR-FBG permet un meilleur contrôle du spectre de sortie en plus de stabiliser l’émission laser et de permettre la fusion d’une fibre de livraison sans perturber l’opération du laser. Toutefois, ces travaux rapportent que les réseaux inscrits dans une fibre dopée à l’ytterbium induisent des pertes importantes, qui résultent en un échauffement significatif des réseaux lors d’une utilisation à haute puissance [18]. Néanmoins, il est possible de diminuer considérablement les pertes en chauffant les réseaux à une température de 400 °C avant leur utilisation. Par contre, un tel vieillissement des FBG diminue non seulement ses pertes, mais également le changement d’indice photo-inscrit, ayant pour effet de diminuer la largeur spectrale ainsi que la réflectivité des FBG [18]. Il y a donc un compromis à faire entre l’élimination des pertes et le changement d’indice minimal à conserver pour assurer de bonnes performances du FBG.
Jusqu’à présent, le record de puissance pour une cavité utilisant un FBG dans une fibre d’ytterbium est détenu par Krämer et al., qui ont atteint une puissance de 1,8 kW avec une efficacité laser de 84%. Aucune publication officielle n’a été émise, mais les résultats ont été présentés lors d’une communication orale à SPIE Photonics West 2018 [20], présentation à laquelle le co-directeur François Trépanier a assisté. Toutefois, dans leur approche, des diodes laser de pompe à 976 nm sont utilisées et injectées en propagation libre, dans une architecture en contra-propagation, rendant l’efficacité laser très grande, mais le système plus dispendieux et moins robuste qu’un système tout fibre. Par ailleurs, le système allemand n’a pas de réflecteur LR-FBG dans la cavité, ce qui implique que l’effet laser est généré entre le HR-FBG et la réflexion de Fresnel du bout de la fibre. De plus, le HR-FBG est auto-vieilli sans polymère protecteur, atteignant donc des températures supérieures à 100 °C lors de l’utilisation. Pour terminer, la réflectivité finale du FBG est inconnue. Bien entendu, un tel laser n’est pas viable en industrie puisqu’il nécessite un alignement précis, est peu stable et possède des échauffements non négligeables qui peuvent causer d’importants bris.
Les lasers à fibre opérant en régime kW représentent actuellement le principal segment de croissance du marché des lasers à fibre, mais les contraintes de fabrication et d’assemblage des cavités lasers utilisant des FBG inscrits dans des fibres passives sont une limitation importante de
8
la technologie. La fabrication de FBG pouvant opérer en régime kW est actuellement maitrisée par très peu d’entreprises à l’échelle internationale et TeraXion est l’une d’entre-elles qui est bien établie dans le marché. TeraXion se spécialise dans la fabrication de réseaux de Bragg pour différentes applications dont les lasers de puissance et elle possède un savoir-faire unique sur le conditionnement des FBG, notamment le procédé de dégainage/regainage, de nettoyage, de passivation des FBG ainsi que celui de packaging pour assurer une opération stable à haute puissance laser. Ainsi, la collaboration avec TeraXion a permis d’utiliser leurs méthodes de pointe pour pousser le développement technologique des FBG inscrits dans la fibre de gain sans se heurter à des problèmes techniques qui seraient très contraignants pour un centre de recherche ayant peu d’expérience avec les LFHP.
1.3
Structure du document
En collaboration avec le Centre d’optique photonique et lasers (COPL) de l’Université Laval et TeraXion, l’objectif de ce mémoire est de réaliser une cavité laser sans épissure monolithique émettant une puissante de 1 kW. Bien que la réalisation de lasers sans épissure ait été démontrée, plusieurs obstacles se dressent toujours devant la réalisation d’un laser de qualité industrielle puissant et les présents travaux ont permis de repousser les limites de ces systèmes.
Tout d’abord, le chapitre 0 portera sur les paramètres importants à contrôler lors de la réalisation d’un LFHP et assoira les bases des fibres optiques et leur utilisation dans un laser à fibre. En plus de présenter les composantes traditionnelles d’un LFHP, le chapitre abordera les principaux éléments limitatifs des lasers à fibre et les stratégies employées pour contourner ces limitations. Pour sa part, le chapitre 3 traitera de la théorie de base des réseaux de Bragg fibrés en expliquant les différents paramètres à optimiser, ainsi que leur impact sur le comportement des FBG. Qui plus est, la théorie sur les mécanismes de changement d’indice permettra au lecteur de saisir la difficulté de réaliser les FBG avec la méthode femtoseconde dans une fibre de gain. Également, les différentes méthodes d’inscription de FBG sont présentées.
Au chapitre 4, des simulations numériques sont présentées afin d’établir des valeurs seuil à atteindre lors de l’inscription des FBG et des simulations numériques des différentes cavités laser à réaliser sont également présentées. Par la suite, l’inscription et la caractérisation de plusieurs
9
FBG sans cavité laser est effectuée afin d’optimiser les conditions d’inscription pour maximiser les chances de réussite d’une cavité laser sans épissure.
Pour sa part, le chapitre 5 présente la cavité laser sans épissure réalisée avec une fibre de haute luminosité et les résultats des différentes caractérisations effectuées. Les performances insuffisantes atteintes par cette cavité laser mènent à une réflexion plus en profondeur sur les éléments à améliorer sur le design et sur le processus de réalisation de la cavité laser pour maximiser la réussite d’une prochaine cavité laser.
Au chapitre 6, une fibre optique à large aire de mode (large mode area, LMA) est utilisée lors de la réalisation d’une cavité laser sans épissure monomode et monolithique. Les performances satisfaisantes de cette cavité laser et sa polyvalence permettent de caractériser le laser selon une architecture en co-propagation ainsi qu’en contra-propagation. La puissance maximale de 540 W atteinte est prometteuse et limitée par la puissance de pompe disponible. Les effets qui limiteraient potentiellement l’augmentation de puissance de cette cavité laser sont considérés et des pistes de solutions sont abordées pour minimiser l’impact des limitations potentielles.
10
Chapitre 2
2.
Lasers à fibre de haute puissance industriels
Étant donné que plusieurs industries utilisent les lasers à fibre pour différentes applications telles que la découpe, le marquage ou la soudure d’une très grande variété de matériaux, les besoins en termes de puissance, de longueur d’onde, de focalisation (dictée par la qualité de faisceau) et de grosseur du système seront aussi très variés. Malgré qu’une architecture laser soit plus répandue que les autres, plusieurs paramètres peuvent être variés pour construire le système laser optimal pour chaque application.
Ce chapitre expliquera l’impact des différents paramètres sur le système final et leurs différentes possibilités, puis énumèrera les phénomènes en jeu qui limitent les lasers à fibre de haute puissance.
2.1
Fondements théoriques des lasers à fibre de haute puissance
Chaque composante utilisée dans un LFHP a un impact sur l’efficacité laser, sur sa robustesse et sur ses coûts de fabrication. Afin de mieux cerner l’impact de chaque paramètre, il convient de faire un rappel sur les principes théoriques des fibres optiques et sur l’effet laser dans l’ytterbium, puisque pratiquement tous les LFHP industriels utilisent l’ytterbium comme élément actif.
11
Le principe de fonctionnement des fibres optiques, la réflexion totale interne, est bien compris depuis plusieurs années. Le principe énoncé par Johannes Kepler en 1611 dicte qu’un photon incident à angle sur une interface d’indice de réfraction inférieure à son milieu sera réfléchit totalement, sans perte de puissance. Ainsi, en ayant un cœur d’indice supérieur dans la fibre, la puissance lumineuse peut être guidée. Toutefois, la propagation de la lumière dans une géométrie cylindrique peut seulement prendre certaines formes discrètes, appelées modes. En appliquant les équations de Maxwell et l’équation d’onde à une géométrie cylindrique, il est possible de dériver l’équation (0.1), aussi appelée l’équation caractéristique des fibres. La dérivation de cette équation est présentée en détails dans [21] et ne sera pas explicitée dans ce document.
(0.1)
Dans (0.1), u et w sont les paramètres transverses de la fibre tels que , V étant la fréquence normalisée de la fibre et Jl et Kl sont les fonctions de Bessel et fonctions de Bessel modifiées. Les solutions de cette équation permettent de calculer les différents modes de propagation dans une fibre. Par exemple, le monde fondamental, qui est toujours admis, aura une forme semblable à une fonction de Bessel J0 et elle est souvent approchée par une forme Gaussienne. La solution graphique de l’équation (0.1) sous la forme de la puissance contenue dans le cœur et la gaine est présentée à la Figure 2.1, où l’on peut apercevoir des valeurs de coupures claires à partir desquels des modes sont permis. Ainsi, une fibre optique sera dite monomode pour un nombre V allant de 0 à 2,405, puisqu’un second mode se propagera pour un V>2,405. Plus d’information sur le calcul du nombre V sera donnée dans les prochaines pages.
12
Figure 2.1 : Proportion de puissance dans le cœur et la gaine pour chaque mode selon le nombre V. Tiré de [21].
En pratique, les fibres optiques sont principalement caractérisées par leur ouverture numérique (en anglais numerical aperture, NA), par les diamètres de leur cœur et de leur gaine et par leur composition. Pour sa part, l’ouverture numérique représente l’angle maximal que peuvent prendre les rayons à l’entrée pour respecter la condition de réflexion totale interne. Les rayons incidents sur la fibre ayant un angle dans le cœur supérieur à l’ouverture numérique ne seront donc pas guidés et seront simplement réfractés à l’extérieur du cœur. L’ouverture numérique d’une fibre dépend de la différence d’indice entre les milieux, que l’on peut approximer de la façon suivante :
√ (0.2)
Où et sont les indices de réfraction du cœur et de la gaine. Pour respecter la condition de guidage, il est nécessaire de respecter la condition : .
Avec ces paramètres, il est possible de calculer simplement la fréquence normalisée, aussi appelée nombre V, à l’aide de l’équation suivante :
13
(0.3)
Où a est le rayon du cœur, NA l’ouverture numérique et λ la longueur d’onde des photons se propageant dans la fibre. Le nombre V représente les propriétés de guidage de la fibre. Indépendamment de la longueur d’onde, du rayon du cœur et du NA, il y aura toujours au moins un mode de propagation possible dans la fibre, le mode fondamental. Pour des valeurs de V < 2,405, seulement le mode fondamental se propagera alors que pour des valeurs de V ≥ 2,405, plus d’un mode pourra se propager et la fibre sera alors multimode.
Par ailleurs, selon les lois de la réfraction totale interne, une onde évanescente est présente à l’interface de changement d’indice, faisant en sorte qu’une partie de la puissance des modes se propage à l’extérieur du cœur. Plus la valeur de V est grande, plus les modes seront confinés dans le cœur, c’est-à-dire que la proportion de puissance du mode se propageant dans le cœur sera plus grande. Bien entendu, un grand confinement sera plus résistant aux pertes de guidage, comme les pertes par courbure, par exemple. Ainsi, lors de l’utilisation monomode d’une fibre, il est avantageux d’avoir une fréquence normalisée élevée pour minimiser les pertes, toutefois sans dépasser la valeur critique de propagation multimode. On aura souvent une fréquence normalisée entre 2,0<V<2,405.
La Figure 2.1 illustre bien le comportement des différents modes selon la fréquence normalisée. Après le calcul du nombre V d’une fibre, un simple coup d’œil à ce graphique permet de trouver le nombre de modes dans une fibre et le confinement des modes d’intérêt. Toutefois, tous les modes ne sont pas tracés sur la figure et lorsque V devient grand, on peut approximer le nombre de modes guidés dans une fibre à saut d’indice Nm avec la relation suivante :
(0.4)
14
Les fibres les plus souvent utilisées pour les lasers à fibre sont des fibres dites à double gaine, signifiant qu’il y a deux interfaces de réfraction totale interne sur la section de la fibre. Pour ce faire, un polymère d’indice de réfraction plus faible que celui de la gaine, typiquement un fluoroacrylate, est placé autour de la fibre comme revêtement primaire. Ce type d’acrylate a un indice de réfraction inférieur à celui de la silice pure, permettant donc le guidage de la lumière dans la gaine. Étant donné que la gaine vitreuse des fibres optiques a un rayon très grand pour les longueurs d’onde laser, le guidage dans la gaine sera fortement multimode. On utilise donc le guidage dans la gaine pour injecter la pompe du laser avec beaucoup d’efficacité.
Qui plus est, afin d’augmenter l’absorption de la pompe par le cœur, la géométrie circulaire de la gaine est brisée pour supprimer les modes de propagations qui n’ont pas de puissance en leur centre. Une forme octogonale est souvent utilisée dans le cas des LFHP. Une fibre de gain traditionnelle est schématisée à la Figure 2.2.
Figure 2.2 : Section transversale d’une fibre de gain à double gaine et son profil d’indice de réfraction.
2.1.3 Spectroscopie de la transition laser Ytterbium
Que ce soit dans une fibre ou dans tout autre medium, un élément actif doit être présent dans la cavité laser résonnante pour générer l’effet laser. Les électrons de l’élément actif seront excités vers les niveaux supérieurs par une pompe et émettront des photons signal par émission
15
stimulée [22]. Les schémas d’émission laser les plus communs sont ceux à 3 ou à 4 niveaux, tels que présentés à la Figure 2.3.
Les électrons excités par la pompe se relaxeront rapidement par une transition non-radiative vers un niveau ayant un temps de vie plus grand que son niveau inférieur. Lorsque la pompe est suffisante, il y aura une inversion de population, c’est-à-dire qu’il y aura plus d’électrons au niveau supérieur de la transition radiative, et on aura alors atteint le seuil d’amplification laser. En positionnant des réflecteurs de chaque côté du milieu de gain, une cavité résonnante est créée et un signal laser sera généré. Pour les lasers à fibre de haute puissance, les réflecteurs sont presque toujours des FBG, qui seront abordés au chapitre 0.
Figure 2.3 : Schéma d’énergie des niveaux des transitions laser traditionnelles à 3 ou 4 niveaux. Adapté de [23].
Avant de s’intéresser plus en profondeur aux transitions radiatives, prenons un moment pour traiter des transitions non-radiatives. Lors de ces événements, une partie de l’énergie du photon de pompe est convertie en phonon, c’est-à-dire en vibration de la matrice vitreuse. On peut donc affirmer que pour chaque photon de pompe converti en photon laser, une partie de l’énergie est convertie en chaleur et ne sera plus utilisable pour générer le signal laser. On appelle e phénomène le défaut quantique. Pour de faibles puissances, de l’ordre de quelques watts et moins, cet échauffement n’est pas très significatif et peut être négligé. Toutefois, pour les lasers
16
de puissance excédant les 100 W, l’échauffement causé par le défaut quantique ne peut plus être négligée. Heureusement, la géométrie des fibres optiques leur procure l’une des meilleures dissipations thermique de tous les types de laser. On peut définir le défaut quantique comme la différence d’énergie entre les photons de la pompe et ceux du signal :
( ) (0.5)
Où Ep et Es sont l’énergie d’un photon de pompe et de signal respectivement, h la constante de Plank et ν les fréquences des photons de signal et de pompe. En examinant l’équation (0.5), on comprend rapidement qu’une faible différence entre les longueurs d’onde du signal et de la pompe résulte en un défaut quantique plus petit, générant moins d’échauffement et une efficacité laser plus élevée.
Pour sa part l’ytterbium, du groupe des terres rares, est un élément actif inégalé en termes de défaut quantique. Lorsque l’on mesure la section efficace d’absorption et d’émission de la transition laser de l’ytterbium près de 1 μm, tel que présentée à la Figure 2.4, on voit que les longueurs d’onde de pompe et de signal sont très près l’une de l’autre, permettant une efficacité maximale très élevée. La Figure 2.4 présente les sections efficaces de l’ytterbium pour les deux types de fibres de gain les plus communs, soit les fibres dopées au phosphore et celles co-dopées à l’aluminium.
17
Figure 2.4 : Section efficace d’absorption et d’émission de l’Yb3+ dans une matrice vitreuse co-dopée au phosphore et co-dopée à l’aluminium. Données tirées de [24].
Comme on peut le voir à la Figure 2.5, la transition laser de l’ytterbium est en fait un schéma laser sur 2 niveaux. Un laser à 2 niveaux serait en temps normal impossible, puisqu’une inversion de population avec le niveau fondamental ne peut être atteinte. Toutefois, la présence de plusieurs sous-niveaux de Stark aux niveaux 2F5/2 et 2F7/2 de l’ytterbium permet l’effet laser entre ces deux
niveaux.
Les sous-niveaux de Stark découlent de l’effet Stark, qui décrit comment les niveaux spectroscopiques sont décalés et séparés sous un champ électrique externe. Chaque sous-niveau de Stark a une énergie et une largeur distincte [25]. Pour le cas d’ions de terres rares dans un hôte vitreux, comme c’est le cas pour un LFHP, il peut y avoir de faibles champs électriques très localisés dans la matrice, ayant pour effet que différents ions peuvent être sous l’effet de champs électriques résiduels différents, générant une largeur de niveaux de Stark encore plus importante [26]. Il est donc possible de créer une inversion de population entre des sous niveaux de Stark des niveaux 2F5/2 et 2F7/2 et ainsi générer un effet laser très efficace en raison du faible
18
Figure 2.5 : Schéma de niveaux de la transition laser de l’ytterbium dans la silice, typiquement utilisée pour les LFHP. Tiré de [27]
2.1.4 Les dopants
Les fibres de gain utilisées dans les LFHP sont largement optimisées. En raison de leur très grand intérêt commercial, de nombreuses itérations et expériences ont eu lieu dans les laboratoires des différents manufacturiers et centres de recherche intéressés par le sujet. Afin d’améliorer les performances, plusieurs éléments dopants peuvent être ajoutés à la matrice vitreuse de silice pour modifier le comportement de la fibre. Cette section présente les co- dopants les plus répandus ainsi que leurs effets sur l’opération laser des fibres de gain.
Yb3+ : L’élément actif des lasers à fibre fait souvent partie du groupe des terres rares. Par
exemple, l’erbium est un élément actif très utilisé dans les télécommunications, pour sa transition laser autour de 1500 nm, la longueur d’onde de choix pour ce domaine. Pour les lasers de haute puissance, l’ytterbium a rapidement fait sa marque comme ion actif le plus efficace et le plus puissant. Son absorption et son émission très larges lui permettent non seulement un fort gain pour des impulsions, mais sa transition près de 1 μm rend possible l’utilisation de diodes laser comme pompes optiques, diodes qui sont très efficaces et peu dispendieuses. De plus, le fait que la longueur d’onde de pompe soit très proche de la longueur d’onde d’émission implique un faible défaut quantique et permet des efficacités laser très élevées, de 60% à 80% [9].
19
Ge : Depuis l’invention des fibres optiques en 1973 par les chercheurs de Corning Glass [28], le
germanium est le dopant de choix pour augmenter légèrement l’indice du cœur, générant ainsi le saut d’indice permettant le guidage. Encore aujourd’hui, le germanium est le dopant de prédilection pour augmenter l’indice dans les fibres passives, car il peut être utilisé efficacement dans la méthode de fabrication par déposition de vapeur chimique modifiée (de l’anglais modified
chemical vapor deposition, MCVD), technique permettant d’étirer des fibres optiques très pures
avec des pertes de propagation très proches du minimum théorique.
Al : Pour sa part, l’aluminium est utilisée afin d’augmenter la solubilité des terres rares dans les
fibres optiques [29]. L’aluminium est très intéressant pour augmenter la concentration d’ytterbium dans le cœur de la fibre, mais sa présence augmente l’indice de réfraction, ce qui rend l’opération en régime monomode plus difficile. Par ailleurs, la présence d’aluminium dans la fibre donne lieue au photo-noircissement lors de l’utilisation prolongée à puissance élevée des fibres de gain.
P : Tout comme l’aluminium, le phosphore peut être utilisé dans les fibres de gain dopées
ytterbium pour augmenter la solubilité des ions d’ytterbium, mais celui-ci réduit le phénomène de photo-noircissement [29]. Cette technique est toutefois une lame à double tranchants, puisque l’ajout de phosphore augmente considérablement l’indice de réfraction du cœur, augmentant du même fait l’ouverture numérique et le nombre V. Le diamètre de cœur nécessaire pour rendre la fibre monomode est trop petit pour supporter des puissances élevées, les fibres de phosphosilicate doivent donc être multimodes. De plus, les grandes concentrations de phosphore utilisées augmentent les pertes de fond de la fibre [30], [31], en plus d’avoir tendance à s’évaporer pendant la fermeture de la préforme lors de la fabrication MCVD, ce qui peut accentuer le phénomène de dépression d’indice au centre du cœur [31].
F : Contrairement aux autres dopants présentés jusqu’ici, la présence de fluor dans la matrice
vitreuse a pour effet de diminuer l’indice de réfraction de la silice. Cet élément est donc utilisé notamment pour faire une gaine mince dans les fibres de pompe largement multimode; la puissance de pompe se propage alors dans un cœur de silice pure, limitant l’échauffement et les défauts dans la matrice vitreuse. Le fluor est également utilisé pour doper les fibres de gain, mais il tend à diffuser dans le verre ayant ainsi un effet limité, en plus de générer des pertes aux épissures [31].
20
2.1.5 Les combinateurs de pompe
Afin de pomper l’ytterbium dans les fibres de gain, la méthode la plus efficace est d’utiliser des diodes laser à 915 nm ou 980 nm. Toutefois, la puissance maximale émise par une diode laser est limitée, tout comme la qualité du faisceau émis par ces diodes. Il est donc nécessaire de combiner la puissance émise par plusieurs diodes pour atteindre les puissances laser nécessaires aux applications industrielles des LFHP. Tel que présentés à Figure 2.6, deux types de combinateurs monolithiques sont couramment utilisés pour injecter la pompe dans la gaine de la fibre de gain. On les nomme combinateurs par le bout (en anglais end-pumped) et les combinateurs par le côté (en anglais side-pumped).
Figure 2.6 : Les deux types de combinateurs de pompe monolithiques utilisés sur le marché (a) combinateur par le bout et (b) combinateur par le côté. Image tirée de [9].
Les combinateurs par le bout sont plus souvent utilisés en raison de leur simplicité et de leur coût de fabrication. De plus, ces combinateurs permettent d’injecter une puissance pompe plus grande que leur contrepartie, offrant notamment la possibilité de varier le nombre de branches d’entrée. Pour les fabriquer, des fibres d’entrée, au nombre de n, sont placées en paquet aussi circulairement que possible, de diamètre Din, puis elles sont chauffées et étirées pour s’ajuster au diamètre de la fibre se sortie, Dout. Pour terminer, le paquet d’entrée est fusionné à la fibre de sortie et le combinateur est protégé mécaniquement. En pratique, un combinateur par le bout peut avoir un nombre indéterminé de branches d’entrée, tant qu’il respecte la condition déterminée par Sévigny et al., soit d’avoir un ratio de brillance BR supérieur à 1 [32] :
21
(0.6)
Le respect de cette condition implique que le cône de lumière émis par le paquet de fibres d’entrée est plus petit que le cône d’acceptation de la fibre de sortie. D’importantes pertes sont à prévoir en cas de non-respect de cette condition et la puissance qui n’est pas transmise sera absorbée dans le composant, ce qui générera un échauffement catastrophique. Dans la plupart des cas, il y aura 3, 7 ou 19 fibres d’entrée, car ces valeurs maximisent le recouvrement géométrique du paquet de fibres d’entrée.
Pour leur part, les combinateurs par le côté (side-pumped) consistent de fibres d’entrée étirées et enroulées autour d’une fibre centrale (voir Figure 2.6 b). Le principal intérêt d’un tel combinateur est qu’il laisse le cœur de la branche centrale intacte, permettant ainsi de transmettre une puissance signal très élevée dans le cœur, tout en injectant la pompe dans la gaine. Ce type de combinateur est toutefois plus limité en puissance pompe en raison de sa difficulté de fabrication plus grande et du nombre de branches limité. Par ailleurs, la pompe injectée aura un NA plus grand qu’avec un combinateur par le bout, ce qui peut augmenter l’échauffement des différentes composantes du laser.
2.1.6 Expulseur de modes de gaine
Les fibres à double gaines utilisées pour construire les lasers à fibre guident la pompe dans la gaine de la fibre, un comportement désiré et nécessaire pour atteindre des puissances élevées. Toutefois, afin de conserver une qualité de faisceau optimale et d’éviter le bris de différentes pièces, il faut expulser la pompe résiduelle qui n’a pas été absorbée par l’ytterbium dans la fibre de gain. Pour ce faire, un expulseur de modes de gaine (en anglais cladding mode stripper, CMS) est ajouté aux systèmes laser. Le principe de fonctionnement de cette composante est très simple : un polymère d’indice élevé est appliqué autour d’un segment de fibre pour briser la condition de réflexion totale interne. Le guidage ne s’effectue donc plus dans la gaine et la puissance pompe est alors expulsée et absorbée par le polymère et les pièces environnantes. Par ailleurs, un traitement chimique à l’acide est souvent utilisé pour dépolir la surface de verre de la fibre, créant des pertes de guidage par diffusion dans la gaine et augmentant du même fait l’efficacité
22
d’expulsion du CMS. Un boitier métallique activement refroidi est souvent utilisé pour minimiser l’échauffement généré par la dissipation de puissance pompe résiduelle.
2.1.7 Câble de livraison
Comme dernière composante, le câble de livraison est utilisé seulement pour de hautes puissances. En raison du petit rayon de cœur des fibres utilisées, la densité de puissance peut devenir très grande, voir insupportable à l’interface air-verre. C’est pourquoi un embout (en anglais end-cap) en verre sans cœur est apposé à la sortie de la fibre : sans guidage, ce segment de verre augmentera la taille du faisceau laser, diminuant ainsi l’intensité à l’interface air-verre, ce qui augmente considérablement le seuil de dommage à cette interface.
De plus, un revêtement anti-reflet peut-être déposé sur la face de l’embout, pour éviter le retour de puissance dans la cavité laser. Lors de l’émission laser à très haute puissance, une faible réflexion de 4 % générée par une interface air-verre peut s’avérer catastrophique pour les composantes du laser, comme les diodes pompes ou les combinateurs.
2.1.8 Les architectures laser
Avec les deux types de combinateurs présentés, il est possible de faire trois architectures de LFHP à un étage sans épissure, soit avec un pompage en co-propagation, en contra-propagation et en bi-propagation, qui sont illustrées à la Figure 2.7. Le nom des architectures fait référence à la direction de propagation de la puissance pompe par rapport à celle du signal.
Ainsi, l’architecture en co-propagation correspond à la situation où la pompe et le signal laser se propagent tous les deux vers la sortie. Il s’agit de la configuration la plus commune dans l’industrie, étant donné sa simplicité et son coût de fabrication, car un seul combinateur injecté par le bout suffit. Dans une architecture en contra-propagation, où la pompe est injectée en sens contraire au signal émis, la complexité n’est pas beaucoup plus grande, mais le combinateur de pompe doit être de qualité (donc de coût) supérieure pour supporter de grandes puissances de signal. Dans ce cas, un combinateur par le côté est utilisé. L’architecture en contra-propagation comporte toutefois l’avantage d’avoir une inversion de population plus grande près de la sortie du laser, permettant d’augmenter l’efficacité laser et de réduire les effets non-linéaires générés [24]. Dans une architecture en bi-propagation, les deux architectures précédentes sont combinées : il y
23
aura donc de la puissance pompe se propageant dans les deux directions. De loin la configuration la plus complexe et la plus couteuse des trois, l’architecture en bi-propagation permet de maximiser la puissance injectée dans la fibre de gain et permet d’atteindre des puissances d’émission supérieures.
Bien entendu, il existe d’autres configurations possibles pour les LFHP, mais elles nécessitent plusieurs étages d’amplification ou de génération de signal laser, les rendant plus complexes et plus couteuses [33]. Malgré qu’elles ne soient pas abordées dans le présent document, ces différentes configurations comportent plusieurs avantages et permettent souvent d’atteindre des puissances plus élevées, toutefois au détriment de la simplicité et du coût de fabrication.
24
Figure 2.7 : Architectures à un étage de LFHP. Avec pompage a) en co-propagation; b) en contra-propagation; c) en bi-propagation.
