Lasers à fibre.

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Investigation numérique de l'instabilité Raman dans les lasers à fibre optique dopée à l'ytterbium en régime continu de haute puissance

Investigation numérique de l'instabilité Raman dans les lasers à fibre optique dopée à l'ytterbium en régime continu de haute puissance

Introduction Inspiré par les travaux sur les masers durant les années 1950, Theodore H. Maiman a déve- loppé le premier laser en 1960 à partir d’un cristal de rubis pompé par une lampe flash [ 48 ]. Depuis, les technologies laser n’ont cessé de progresser et ont joué un rôle crucial dans l’at- teinte de la société connectée dans laquelle nous vivons en 2018. Une multitude de designs ont été développés, tels que les lasers à l’état solide, les lasers à gaz, les lasers à fibre op- tique et autres. Les lasers à fibre optique, communément appelés lasers à fibre, comportent plusieurs avantages leur étant propres. En effet, puisque la lumière se propageant dans les fibres optiques est isolée de l’environnement extérieur et est guidée lors de sa propagation, les lasers à fibre sont généralement plus robustes face aux manipulations et aux vibrations. Typiquement, les lasers à fibre ont également une large bande de gain, une grande efficacité et une bonne dissipation de la chaleur, grâce à leur géométrie allongée. La distribution du gain sur toute la longueur d’une fibre optique dopée permet d’obtenir un gain important et d’atteindre de hautes puissances moyennes. Tous ces avantages ont contribué au dévelop- pement de lasers à fibre optique de haute puissance [ 42 ].
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Développement de lasers à fibre opérant au-delà de 3 microns

Développement de lasers à fibre opérant au-delà de 3 microns

Le chapitre 3 correspond à l’article "3.42 µm lasing in heavily-erbium-doped fluoride fibers" paru en février 2019 dans la revue Optics Express, Vol. 27, p. 2170-2183 (F. Maes, C. Stihler, L.-P. Pleau, V. Fortin, J. Limpert, M. Bernier et R. Vallée). Cet article étudie l’effet laser à 3.5 µm au sein d’un laser à fibre de fluorozirconate monolithique fortement dopé à l’ion erbium. Il met notamment en évidence l’effet bénéfique de la concentration élevée d’erbium sur l’émission à 3.5 µm et montre la présence de nouveaux phénomènes optiques au sein du laser (interférence modale transverse à la longueur d’onde de pompage, avalanche photonique et bistabilité de la puissance laser). Des simulations numériques valident encore une fois les mesures expérimentales et sont par la suite utilisées afin d’optimiser des lasers à fibre optique opérant à 3.5 µm. Mes contributions à la publication de cet article sont identiques à celles de l’article présenté au chapitre 2 . Les travaux présentés dans cet article ont été le sujet de deux présentations orales à des conférences internationales soit OSA Advanced Photonics Congress 2018 (Zürich, Suisse), où j’ai remporté le prix du deuxième meilleur résumé étudiant, ainsi que ASSL 2019 (Vienne, Autriche), où j’ai remporté le premier prix de la meilleure présentation étudiante.
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Développement de lasers à fibre basés sur la conversion Raman émettant entre 2 et 4 um

Développement de lasers à fibre basés sur la conversion Raman émettant entre 2 et 4 um

Le chapitre 2 présente un article publié dans Optics Letters (V. Fortin, M. Bernier, J. Carrier, and R. Vallée, "Fluoride glass Raman fiber laser at 2185 nm," Optics Letters 36(21), 4152-4154 (2011)) et rapportant le tout premier laser à conversion Raman à avoir été réalisé dans une fibre de verre fluoré. Ce laser émet une puissance 600 mW à une longueur d’onde d’émission de 2185 nm. Cette démonstration ouvre la voie à une nouvelle gamme de longueurs d’onde pour les lasers à fibre, soit entre 2.1 et 2.35 µm, une gamme autrefois difficilement atteignable pour eux. Mon apport à ce travail peut se diviser en quatre points : l’étude de faisabilité par simulations numériques, le montage du laser de pompe à 2 µm, la caractérisation de la cavité Raman à 2.185 µm et, finalement, la rédaction du manuscrit. Ces contributions m’ont valu le statut de premier auteur. Les réseaux de Bragg du laser pompe et de la cavité Raman ont été inscrits respectivement par Julien Carrier et Martin Bernier. L’article au chapitre 3 de la thèse présente une seconde version de notre laser Raman basé sur une fibre en verre fluoré; ces résultats ont été publiés dans Optics Express (V. Fortin, M. Bernier, D. Faucher, J. Carrier, and R. Vallée, "3.7 W fluoride glass Raman fiber laser operating at 2231 nm," Optics Express 20(17), 19412-19419 (2012)). Les cavités Raman et de la pompe du laser que nous présentons dans cet article ont été imbriquées afin d’accroître la puissance de la pompe intracavité. Cette amélioration permet d’abaisser le seuil du laser et d’augmenter significativement la puissance en sortie pour atteindre un maximum de 3.7 W à 2232 nm. Cette longueur d’onde d’émission était par ailleurs la plus longue jamais rapportée pour un laser Raman au moment de la publication de l’article. Ma contribution à cette publication est du même ordre que celle de l’article présenté au chapitre 2, c’est-à-dire que j’ai effectué la modélisation et la caractérisation du laser en plus de la rédaction de l’article. Mes collègues, Julien Carrier et Martin Bernier, ont inscrit les réseaux de Bragg de la pompe et de la cavité Raman respectivement. J’ai par ailleurs présenté ces résultats à CLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics), à San Jose, en Californie, et à Photonics North, à Montréal, toutes deux en 2012.
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Lasers à fibre femtoseconde utilisant une paire de réseaux de Bragg à pas variable

Lasers à fibre femtoseconde utilisant une paire de réseaux de Bragg à pas variable

Ces trois régimes d’opération font ressortir plusieurs caractéristiques importantes du laser. Tout d’abord, l’énergie des impulsions obtenues est minimale dans le cas d’une dispersion presque nulle. Ensuite, on remarque que les résultats expérimentaux concordent relative- ment bien avec ceux issus des simulations, à l’exception des lobes secondaires sur les traces d’autocorrélation. En fait, les lobes secondaires sont moins importants dans les mesures ex- périmentales qu’en simulation. Ceci est probablement dû au fait que les ondulations dans le délai de groupe des CFBGs induisent une composante bruitée au chirp de l’impulsion, qui se traduit par un étalement aléatoire de certaines composantes spectrales lors de la compression. Ceci étale donc une partie de la puissance en périphérie de l’impulsion et diminue les lobes se- condaires sur la trace d’autocorrélation en intensité, qui résulte d’un moyennage sur plusieurs impulsions. La durée des impulsions comprimées demeure tout de même sous la centaine de femtosecondes dans tous les régimes de dispersion, ce qui n’est généralement pas le cas dans les lasers à fibre standards. Ces courtes durées sont également un bon indicatif de la grande qualité des propriétés dispersives et réflectives des réseaux de Bragg utilisés.
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Combinaison cohérente de lasers à fibre : étude en régime impulsionnel et mise en phase d'un grand nombre d'émetteurs

Combinaison cohérente de lasers à fibre : étude en régime impulsionnel et mise en phase d'un grand nombre d'émetteurs

Les applications du secteur de la défense ainsi que les systèmes Lidar sont particulièrement étudiées à l’Onera. Elles nécessitent non seulement une bonne cohérence spatiale et temporelle des faisceaux, mais ont aussi un besoin toujours accru de puissance. Néanmoins, la puissance maximale d’un laser est fibre est limitée par les propriétés du matériau ainsi que par le seuil d’apparition d’effets non-linéaires ou de dommages d’origine thermique qui peuvent endommager la fibre ainsi que dégrader la qualité du faisceau. Le récent développement de nouvelles fibres (Large Mode Area, fibres microstructurées…) a permis de repousser ces limites pour arriver en 2009 à une puissance de 10 kW dans une fibre dopée Ytterbium monomode et réalisée par la société IPG Photonics. Mais des études ont montré que l’on s’approche de la limite de la puissance maximale possible sans détérioration de la qualité de faisceau. A titre de comparaison, L’Air Force Research Laboratory indique avoir besoin d’une source de 100 kW en régime continu pour ces applications. La puissance maximale disponible aujourd’hui se trouve donc à un ordre de grandeur en dessous du besoin. De plus, la limite en puissance est bien plus basse pour des lasers à fibre émettant à 1,5 µm (le record en puissance n’étant que de 300 W) qui est une longueur d’onde présentant un plus grand intérêt pour les systèmes Lidar par exemple.
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Mise en phase de lasers à fibre : Étude de l'influence de la turbulence atmosphérique et de l'utilisation de fibres faiblement multimodes

Mise en phase de lasers à fibre : Étude de l'influence de la turbulence atmosphérique et de l'utilisation de fibres faiblement multimodes

Les technologies à fibre, développées initialement pour le secteur des télécommunications optiques, permettent aujourd’hui la conception de lasers de puissance avec une bonne qualité spatiale et spectrale. Les avantages sont une grande efficacité de conversion, compte tenu de la longueur du milieu actif, une gestion de la thermique facilitée tout en étant robuste aux perturbations extérieures et une relative compacité des dispositifs mis en œuvre. Cependant, l’énergie extractible d’un laser à fibre de forte luminance est limitée par les propriétés du matériau et le seuil d’apparition des effets non linéaires. Le développement, ces dernières années, de fibres LMA (Large Mode Area) et des fibres microstructurées a permis de repousser ces limites et de délivrer des puissances accrues. Mais cela se fait parfois au détriment de la qualité spatiale du faisceau qui n’est alors plus monomode. En 2009, la société IPG Phtonics a réalisé un laser à fibre dopée ytterbium monomode de 10 kW. Des études ont montré que cette valeur s’approche de la limite en puissance pouvant être atteinte par des lasers à fibre monomodes. Cette puissance maximale est réduite dans le cas d’une émission à 1,5 µm, longueur d’onde d’intérêt par exemple pour les systèmes Lidar.
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Lasers à fibre bifréquences stabilisés par réinjection optique

Lasers à fibre bifréquences stabilisés par réinjection optique

M OTS - CLEFS : laser à fibre, optique microonde, réinjection optique 1. I NTRODUCTION Bien que les lasers à fibre DFB soient connus pour leur émission mono-fréquence, il a été montré que ces structures peuvent entretenir l’émission de deux polarisations orthogonales dont le décalage en fréquence est dû à la biréfringence de la fibre [1]. Dans le contexte de la photonique microonde, de tels lasers à fibres bifréquences (ou DFFL pour dual-frequency fiber laser) sont potentiellement des capteurs efficaces [2] et des sources hétérodynes robustes [3]. Pour le transport de référence RF ou microonde, stabiliser le battement de tels lasers DFFL est primordial. Pour cela on peut utiliser une boucle à verrouillage de phase du type OPLL [4]. Cependant, ce schéma utilise la puissance de pompe comme actuateur, et la stabilisation de fréquence se fait donc au détriment de la stabilité de puissance. Par ailleurs, la méthode du frequency-shifted feedback (FSF) pour l’accrochage de phase d’un laser bifréquence sur une référence externe a été mise en œuvre sur des lasers à solides [5] ou des structures à semi-conducteurs bimodes [6], avec de très bonnes performances. Nous étendons ici cette méthode tout-optique au laser à fibre DFB et mettons en évidence des caractéristiques originales.
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Effets d'une faible contre-réaction optique sur des lasers à fibre DFB pour applications capteurs

Effets d'une faible contre-réaction optique sur des lasers à fibre DFB pour applications capteurs

fonction de r pour L fix´e (5 et 25 m). Les r´esultats sont en accord avec la th´eorie puisque ∆ P /P 0 et ∆ν sont proportionnels `a r (´equations (1) et (2)). Notons que ∆ P /P 0 est similaire pour les deux lasers et ind´ependante de L. Ce dernier point a ´et´e confirm´e par des mesures `a L =10 m, 15 m, 20 m pour ces deux DFB FLs. Cependant, comme le montre la figure 2(b), ∆ν d´epend fortement des caract´eristiques du laser. Ainsi, FL1 est bien plus sensible `a une r´eflection externe que FL2. Cela peut ˆetre attribu´e aux caract´eristiques diff´erentes des r´eseaux de Bragg. Notons que ces courbes doivent permettre d’extraire le facteur de Henry α H de chaque laser, `a partir des ´equations (1) et (2), ce qui n’a encore jamais ´et´e report´e `a notre connaissance. Comme le rappellent les ´equations (1) et (2), δ P /P 0 et δν ne d´ependent
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Lasers à fibre Brillouin multi-Stokes : cohérence et caractérisation en bruit

Lasers à fibre Brillouin multi-Stokes : cohérence et caractérisation en bruit

Le domaine des télécommunications a été le principal moteur du développement des fibres optiques. Pratiquement toutes les fibres optiques classiques dites standards (comme le SMF28 de Corning) ont été développées pour favoriser une bonne transmission de données optiques sur de longues distances. Elles sont faites en silice, présentent une faible atténuation du signal transmis (0,2 𝑑𝐵/𝑘𝑚) et constituent généralement un milieu de propagation linéaire sinon très faiblement non-linéaire. Y générer des effets non- linéaires nécessite une intensité de l'onde optique incidente relativement élevée. Pour réduire la puissance de seuil de la diffusion Brillouin stimulée à 15 𝑚𝑊 dans les fibres optiques standard, une centaine de mètres est nécessaire. Pour avoir un fonctionnement mono-fréquence d’un laser Brillouin (longueur inférieure à 20 𝑚 pour une cavité en anneau à fibre silice standard), plus de 100 𝑚𝑊 est nécessaire en pompage non- résonant pour lequel l’onde Pompe ne fait qu’un passage dans la cavité laser. Lorsque la fibre est à maintien de polarisation, un seuil plus faible, de l'ordre de 3,8 𝑚𝑊, est atteint avec un pompage résonant pour lequel la cavité est accordée pour permettre à l'onde Pompe de réaliser plusieurs passages dans la cavité laser [15]. Selon les études de A. Küng [16], une puissance de 100 𝜇𝑊 peut même être suffisante avec une plus grande longueur de fibre (> 30 𝑚).
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Lasers à fibre Brillouin multi-stokes : cohérence et caractérisation en bruit

Lasers à fibre Brillouin multi-stokes : cohérence et caractérisation en bruit

Le domaine des télécommunications a été le principal moteur du développement des fibres optiques. Pratiquement toutes les fibres optiques classiques dites standards (comme le SMF28 de Corning) ont été développées pour favoriser une bonne transmission de données optiques sur de longues distances. Elles sont faites en silice, présentent une faible atténuation du signal transmis (0,2 𝑑𝐵/𝑘𝑚) et constituent généralement un milieu de propagation linéaire sinon très faiblement non-linéaire. Y générer des effets non-linéaires nécessite une intensité de l'onde optique incidente relativement élevée. Pour réduire la puissance de seuil de la diffusion Brillouin stimulée à 15 𝑚𝑊 dans les fibres optiques standard, une centaine de mètres est nécessaire. Pour avoir un fonctionnement mono-fréquence d’un laser Brillouin (longueur inférieure à 20 𝑚 pour une cavité en anneau à fibre silice standard), plus de 100 𝑚𝑊 est nécessaire en pompage non-résonant pour lequel l’onde Pompe ne fait qu’un passage dans la cavité laser. Lorsque la fibre est à maintien de polarisation, un seuil plus faible, de l'ordre de 3,8 𝑚𝑊, est atteint avec un pompage résonant pour lequel la cavité est accordée pour permettre à l'onde Pompe de réaliser plusieurs passages dans la cavité laser [15]. Selon les études de A. Küng [16], une puissance de 100 𝜇𝑊 peut même être suffisante avec une plus grande longueur de fibre (> 30 𝑚).
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Dual-polarization fiber lasers for radio-over-fibre?

Dual-polarization fiber lasers for radio-over-fibre?

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Lasers multi-longueurs d'onde à fibre dopée à l'Erbium utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre-réaction

Lasers multi-longueurs d'onde à fibre dopée à l'Erbium utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre-réaction

en raison du coefficient de perte très élevé du milieu de gain. Au milieu des années 80, l’intérêt pour ce type de laser a été ravivé par les résultats de Poole [4] . En effet, Poole et al. ont été les premiers à réaliser des fibres optiques dopées aux terres rares ayant des pertes relativement faibles. Cette avancée technologique alliée au développement de lasers de pompe semi-conducteur a permis d’entrevoir de nombreuses applications pour les lasers à fibre dans des domaines aussi variés que les systèmes de télécommunication optique, la métrologie, la médecine ou l’imagerie. La qualité du confinement du champ, due à l’utilisation de la technologie fibrée, alliée aux très bonnes qualités d’émission lumineuse des ions de terres rares permet d’obtenir des sources ayant des efficacités de conversion électronique- optique proche de 60%, des puissances de seuil relativement basses et des puissances de sortie qui, dans certaines configurations peuvent atteindre plusieurs dizaines de watts. Il faut aussi noter que les ions de terre rare disposent de nombreuses transitions radiatives, ce qui permet d’obtenir un large éventail de sources délivrant des longueurs d’onde allant de l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge.
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Etude thermique des cristaux lasers, Réalisation de lasers à fibres monocristallines

Etude thermique des cristaux lasers, Réalisation de lasers à fibres monocristallines

Améliorations du milieu à gain : Il est enfin possible de changer le milieu à gain lui-même. Depuis les imposants barreaux de Nd :YAG fortement dopés utilisés dans les lasers pompés par flash, de nombreux nouveaux systèmes ont été développés. Les cristaux laser usuels de quelques cm 3 destinés au pompage par diode sont capables d’excellents résultats laser, dans des cavités simples et compactes, mais ils sont limités en terme de puissance par des effets thermiques, largement étudiés mais difficiles à modéliser précisément. La recherche de milieux destinés à la haute puissance s’est donc tournée vers d’autres systèmes. Citons en particulier les lasers à fibre et les lasers à disques minces, qui, chacun à leur manière, repoussent les limites en puissance des milieux laser. Nous reparlerons de ces systèmes et de leurs performances plus en détail dans l’état de l’art qui suivra. Notons qu’une meilleure compréhension des effets thermiques dans les cristaux massifs pourrait amener à un regain d’intérêt pour ces milieux laser aux nombreuses qualités, utilisables dans des cavités laser simples. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons aux premières démonstrations laser d’un nouveau milieu amplificateur qui parait prometteur pour dépasser les limites des systèmes existants.
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Progress in Interband Cascade Lasers: From Edge Emitting Lasers to VCSELs

Progress in Interband Cascade Lasers: From Edge Emitting Lasers to VCSELs

Keywords: laser, resonant-cavity light-emitting diode, vertical-cavity surface-emitting laser, mid-infrared sources, GaAs, GaSb. 1. INTRODUCTION The water-absorption-free spectral window around 3.4 µm is of high interest for spectroscopy applications and, in particular, for environmental monitoring. High-performance semiconductor lasers and light-emitting diodes are considered as key enabling devices for these applications, as well as for free-space communications or light detection and ranging (LIDAR) [1]–[3]. Thanks to the progress made over the last decade [4], emitters relying on interband cascade have become the prominent light sources to generate light in the intermediary mid-infrared L- band (~3.4 µm).
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Progress in Interband Cascade Lasers: from edge emitting lasers to VCSELs

Progress in Interband Cascade Lasers: from edge emitting lasers to VCSELs

ABSTRACT Mid-infrared lasers are crucial devices to enable optical spectroscopy in this spectral region of strategic importance for molecular sensing. In this presentation, we will review our recent progress in mid-infrared sources based on interband cascade active regions for operation in the L-band (wavelength of ~3.4µm) and in particular towards the demonstration of VCSELs, the most promising laser embodiment for energy-efficient portable tunable sources.

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Fibre-reinforced concrete

Fibre-reinforced concrete

Most other fibres in use are relatively stable when embedded in cement. Strength decreases have not been observed in specimens containing carbon and Kevlar fibres. Combining fibre types in cement composites is a new approach with high potential for improving the long-term performance of glass-fibre-reinforced cement products. Mixtures of polypropylene and glass fibres or, alternatively, mica flakes used as fibres may help prevent long-term decreases in tensile and impact strength.

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Lasers in astronomy

Lasers in astronomy

6.1 Lasers for Rayleigh backscattering A definite constraint for lasers in the case of Rayleigh backscattering is that they must be pulsed lasers. Indeed in this case a temporal gate selects backscattered photons from a slab in the atmosphere. The slab thickness is ≈1km, because at higher values the spot elongation becomes not negli- gible as view from the edge of the telescope mirror (see 41 in 4.3). Thus backscattered photons are received during 2/300000 = 6.7µs, the factor 2 coming from the round trip time from the lower to the upper level of the slab. The detector should not receive photons from any other slab during this time interval, as it would be the case with a cw laser. If we consider that Rayleigh scatter is significant up to the altitude of 30km, the pulse repetition rate must be lower than 3 × 10 5 /30/2 = 5 kHz, and the pulse length must be shorter than 6.7µs to avoid contamination of the photon flux from the selected slab from photons backscattered at other altitudes.
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Bipolar cascade lasers

Bipolar cascade lasers

2-lb shows the tunnel diode current versus voltage (I-V) characteristics. As a forward bias is applied, the quasi-Fermi level on the n-doped side raises with respect to [r]

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Des lasers au service de l’ophtalmologie

Des lasers au service de l’ophtalmologie

Christophe Baudouin largement diffusées et utilisées par un public de plus en plus large, c’est d’autant plus rare. Les lasers femtoseconde ont en effet depuis plusieurs années révolu- tionné la médecine avec des applications en ophtalmologie, en chirur- gie réfractive d’abord, où ces types de lasers sont devenus incontour- nables, puis en chirurgie de la cataracte, où même s’ils ont encore un peu de peine à s’imposer, ces lasers seront sans nul doute au centre de la chirurgie de demain.

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Formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre

Formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre

Dans le cas d’un laser Raman `a fibre r´ealis´e `a partir de miroirs s´electifs en longueur d’onde r´eseaux de Bragg, cet ´elargissement est tel que la largeur du spectre optique de l’on[r]

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