Lasers à fibre de puissance opérés en régime continu

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1 Marc-André Lapointe Lasers à fibre de puissance opérés en régime continu Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en physique pour l obtention du grade de maître ès sciences (M. Sc.) DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE, DE GÉNIE PHYSIQUE ET D OPTIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 2010 Marc-André Lapointe, 2010

2 Résumé Le présent projet de recherche porte sur les lasers à fibre de haute puissance opérés en régime continu. L objectif premier est la conception et la réalisation d un laser de 400 W de puissance de sortie utilisant une fibre dopée à l ytterbium. La grande variété de lasers fabriqués au cours de ces travaux a permis l étude des effets thermiques, des limitations en puissance et du comportement de la raie spectrale d émission. L étude comprend des simulations numériques caractérisant le comportement des lasers à fibre opérés en régime continu. Différentes configurations de lasers ont été expérimentées à une puissance de signal de 100 W. Les échanges de chaleur dans les fibres à double gaines ont été analysés pour contourner les difficultés engendrées par la grande puissance de ces lasers. Le concept de résistance de contact est amené pour expliquer l élévation de température des fibres actives. Les travaux ont abouti à la réalisation de lasers monomodes de plus de 350 W de puissance de sortie, et cela, limités uniquement par la disponibilité des pompes. Parce que la photodégradation est la principale difficulté des lasers à fibre de puissance, plusieurs compromis, notamment sur le choix technologique des composants, ont été nécessaires pour atteindre les objectifs de puissance et de qualité de faisceau. Un outil pour prédire l élargissement spectral des lasers à fibre de haute puissance a été développé. Il est montré que le mélange à quatre ondes élargit la raie d émission de ces lasers. L élargissement du spectre de sortie, selon une fonction de la puissance, a été vérifié expérimentalement dans diverses configurations d oscillateur.

3 Abstract This research project focuses on high power fiber lasers operated in the continuous regime. The main objective is the implementation of a 400-W fiber laser using ytterbiumdoped double clad fiber. The wide variety of high power fiber lasers assembled during this work has enabled the study of the thermal effects, the power limitations and the behavior of the output spectrum. The study includes simulations that characterize the behavior of fiber lasers operated in the continuous regime. Different laser configurations were tested at a signal power of 100 W. The heat transfer in double clad fibers was analyzed to circumvent the difficulties caused by the important amount of heat generated by these lasers. The concept of contact resistance is brought in to explain the temperature rise of active fibers. This was necessary for the realization of single-mode fiber lasers with over 350W of output power. The output power was only limited by the availability of pumps. Several compromises were necessary to achieve the high output power and the diffraction-limited beam quality. Thus, the photodarkening of the ytterbium doped fiber is still an issue for this kind of lasers. A tool to predict the spectral broadening of high power fiber lasers has been developed. It is shown that four-wave mixing broadens the outpu t spectrum of these lasers as a function of output power. The broadening of the output spectrum has been experimentally verified by the implementation of various lasers with different configurations. A theoretical model is presented, which shows a good agreement with experimental data.

4 Remerciments Je remercie d abord mes directeurs de maîtrise, Michel Piché, professeur au centre d optique, de photonique et de laser (COPL) et Philippe De Sandro, Président-directeur général et directeur scientifique de Coractive, pour la confiance qu ils m ont témoignée au cours de mes travaux. Ils ont éclairé mes recherches par leurs connaissances et leurs intuitions. Un grand merci à tous mes collègues qui ont partagé leur savoir et leur temps pour la réalisation de ce projet. Je suis particulièrement reconnaissant envers Stéphane Châtigny et Bertrand Morasse pour leur perpétuel support et les discussions passionnées que nous avons partagées. Je remercie la dynamique équipe de Coractive qui m a permis de réaliser ce projet dans une ambiance des plus agréables et enrichissantes. Je dois souligner le support financier du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), ainsi que le fond québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT), qui m offrirent, en collaboration avec l Institut canadien pour les innovations en photonique (ICIP), la bourse BMP Innovation FQRNT-CRSNG.

5 En mémoire d'alisa, pour ses sourires, ses idées, sa profondeur et son intensité. Nous rêvions à ton épanouissement, puisses-tu nous rappeler la beauté des êtres et de la terre.

6 Table des matières 1. Introduction Lasers à fibre de puissance opérés en régime continu La photodégradation des fibres dopées à l ytterbium Conception des lasers à fibre de haute puissance La fibre optique comme milieu de gain La fibre optique à saut d indice Fibre à double gaine Fibre avec un piédestal Les dopants Opération monomode des fibres multimodes La photodégradation du milieu de gain Composantes optiques Diodes laser à semi-conducteur de puissance Coupleur optique multimode Extracteur de mode de gaine Réseaux de Bragg Élargisseur de faisceau Câble de sortie Conception et simulation numérique Simulations numériques Les configurations de pompage des cavités laser Isolation des combinateurs en contre-propagation Assemblage des cavités laser : alignement actif Expérimentation de système laser Système laser de 100 W monomode et étude des configurations Cavité laser kilowatt... 47

7 3.2.1 Caractérisation optique du laser 400W #1 en opération monomode utilisant une fibre dopée LMA Caractérisation optique du laser 400W #2 en opération multimode utilisant une fibre dopée LMA Échanges thermiques et opération continue Échanges thermiques dans les lasers à fibre de haute puissance Élargissement spectral des lasers de haute puissance Modèles de l élargissement spectral Mesures expérimentales Méthode de mesure de l élargissement spectral Élargissement spectral d une cavité laser 20/ Élargissement spectral d une cavité laser 12/ Élargissement spectral d une cavité laser 6/ Comparaison des résultats expérimentaux avec la théorie : l équation d élargissement modifiée Élargissement d un laser à fibre 20/400 : Comparaison de l équation d élargissement modifiée Diminution de la réflectivité Conclusion Bibliographie Annexe A : Paramètres de simulation... 95

8 Liste des tableaux Tableau 2.1: Constantes de corrélation pour le calcul de la longueur optimale de fibre active dans une cavité laser Tableau 2.2: Proportions de signal et de puissance pompe aux épissures en fonction du niveau de réflectivité du réflecteur LR. Les paramètres de simulations sont les mêmes que ceux de la section Tableau 2.3: Proportion approximative de puissance retournée aux combinateurs de pompe en fonction de la réflectivité du LR pour un schéma de pompage bidirectionnel Tableau 3.1: Paramètres communs des systèmes laser Tableau 3.2: Pente d efficacité optique par rapport à la pompe injectée pour les différentes configurations Tableau 3.3: Paramètres de la cavité lasers 400 W # Tableau 5.1: Paramètres de la cavité lasers 20/ Tableau 5.2: Paramètres de la cavité laser 12.5/ Tableau 5.3: Paramètres de la cavité lasers 6/

9 Liste des figures Figure 1.1: Configuration typique d un LFHP utilisant des fibres à double gaine Figure 1.2 : Représentation des guides d ondes de la cavité laser Figure 2.1: Profile d indice de réfraction d une fibre à saut d indices Figure 2.2: Distribution de l amplitude du champ du mode fondamental dans une fibre monomode Figure 2.3: Coupe transversale d une fibre optique à double gaine Figure 2.4: Profil d indice de réfraction d une fibre piédestal Figure 2.5: Section efficace d absorption et d émission d une fibre aluminosilicate dopée Yb Figure 2.6: Section efficace d absorption et d émission d une fibre phosphosilicate dopée Yb Figure 2.7: Puissance de sortie en fonction du temps d une fibre aluminosilicate dopée ytterbium utilisée en amplificateur. La source laser produit un signal de 15 W de puissance Figure 2.8: Courbe de transmission spectrale avant et après une opération laser continue d une fibre aluminosilicate dopée Yb ayant engendré de la photodégradation Figure 2.9: Schéma d un coupleur multimodes assemblé par fusion et distribution spatiale des branches Figure 2.10: Représentation d un CMS et propagation des rayons Figure 2.11: Montage de mesure d atténuation d un CMS Figure 2.12: Atténuation simulée et mesurée d un CMS droit en fonction de sa longueur Figure 2.13: Tracé des rayons dans un CMS courbé de rayon R Figure 2.14: Résultats expérimentaux de l atténuation d un CMS en fonction de la courbure et de la longueur Figure 2.15: Schéma de conception d élargisseur de faisceau Figure 2.16: Courbe typique de la puissance de sortie en fonction de la longueur Figure 2.17: Distribution de la puissance à l intérieur de la cavité laser en fonction de la réflectivité R 2 du réflecteur LR pour un pompage en copropagation Figure 2.18: Distribution de l énergie à l intérieur de la cavité en fonction de la réflectivité du LR R 2 pour un pompage en contre-propagation

10 Figure 2.19: Inversion de population à l intérieur de la cavité en fonction de la réflectivité R 2 du réflecteur LR pour un pompage en co-propagation et en contre-propagation Figure 2.20: Efficacité laser à 1080 nm d une cavité de longueur optimale (Lopt) en fonction de l absorption de la pompe α à 915 nm et des pertes de fonds PF de la fibre dopée Yb pour une réflectivité R 2 = 10%. La configuration de pompage est colinéaire Figure 2.21: Différentes configurations de pompage de cavités laser en format tout fibre Figure 2.22: Schéma d analyse pour l isolation des combinateurs Figure 3.1: Les différentes configurations de système laser 100 W Figure 3.2: Puissance de sortie en fonction de la puissance pompe des configurations 4 et 5. Les pentes d efficacité sont indiquées sur les différentes courbes Figure 3.3: Puissance de signal retournée au combinateur CP1 en fonction de la puissance de pompe des configurations 4 et Figure 3.4: Schéma de la configuration du laser KW Figure 3.5: Pompe résiduelle et efficacité du système laser en fonction de la longueur de la fibre active Figure 3.6: Puissance de sortie en fonction de la puissance pompe Figure 3.7: Puissance dans le cœur Pcœur en sortie et puissances de retour Pret dans une branche du CP 19 1 en fonction de la puissance pompe Figure 3.8: Diamètre du faisceau de sortie en fonction de la position et de la puissance de sortie. Le faisceau est collimé par une lentille de distance f 1 = 8 mm puis focalisé par une lentille de f 2 = 200 mm Figure 3.9: Puissance de sortie en fonction de la puissance de pompage pour le système terminé d un câble de sortie avec collimateur intégré Figure 3.10: Puissance de sortie monomode du laser en opération continue en fonction du temps Figure 3.11: Puissance de sortie en fonction de la puissance pompe Figure 3.12: Puissance dans le cœur Pcœur en sortie et puissance de retour Pret dans une branche du CP 19 1 en fonction de la puissance pompe Figure 3.13: Diamètre du faisceau de sortie en fonction de la position et de la puissance de sortie. Le faisceau est collimé par une lentille de distance f 1 = 8 mm puis focalisé par une lentille de f 2 = 200 mm Figure 3.14: Image thermique d une épissure entre le réflecteur HR et la fibre active avec a) 0 W de puissance pompe, et b) 520 W de puissance pompe

11 Figure 3.15: Profil de température longitudinale de la fibre active enroulée autour d un cylindre métallique. La puissance de pompe est de 523 W Figure 4.1: a) Représentation d une fibre active avec une génération de chaleur uniforme dans son cœur. b) Élévation de température, par rapport à la température de surface, dans la direction radiale pour un taux de transfert de chaleur de 100 W /m pour trois dimensions de fibres Figure 4.2: a) Illustration d une résistance de contact entre deux matériaux. b) Élévation de température causée par la résistance thermique Figure 5.1: Configuration des cavités laser utilisées pour l étude de l élargissement spectral Figure 5.2: Forme spectrale des réseaux de Bragg utilisés dans la cavité laser 20/ Figure 5.3: Spectre du signal de sortie en fonction de sa puissance pour la cavité 20/ Figure 5.4: Largeur spectrale du signal de sortie et du signal retourné vers les pompes en fonction de la puissance de sortie de la cavité 20/ Figure 5.5: Puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe de la cavité laser 20/ Figure 5.6: Forme spectrale des réseaux de Bragg utilisés dans la cavité laser 12.5/ Figure 5.7: Spectre de sortie en fonction de la puissance de sortie de la cavité 12.5/ Figure 5.8: Largeur spectrale du signal de sortie et du signal retourné aux pompes en fonction de la puissance de sortie de la cavité 12.5/ Figure 5.9: Largeur spectrale du signal en fonction de la position intracavité à partir du réflecteur HR. La puissance de sortie du laser est d environ 90 W. Le spectre est capté par une fibre de 105µm avec ON= 0.22 à proximité de la fibre active Figure 5.10: Profil spectral de la réflectivité des réseaux de Bragg utilisés dans la cavité laser 6/ Figure 5.11: Largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance de sortie pour les trois variantes de la cavité laser 6/ Figure 5.12: Spectre du signal qui retourne aux diodes pompes en fonction de la puissance de sortie du laser Figure 5.13: Puissance totale retournée aux pompes dans le cas σ LR σ HR (courbe mauve pleine) et σ LR σ HR (courbe bleu pointillé) Figure 5.14: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale de sortie en fonction de la puissance pour le laser 20/400 de la section La

12 courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.1 et les paramètres du tableau Figure 5.15: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 20/400 de la section La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau Figure 5.16: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 12/250 de la section La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau de gauche Figure 5.17: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale de sortie en fonction de la puissance pour le laser 12/250 #2. La courbe théorique a été calculée avec l éq. 6.9 et les paramètres du tableau de gauche Figure 5.18: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 10/200. La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau de gauche Figure 5.19: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 6/125. La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau de gauche Figure 5.20: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 6/125 où 30 mètres de fibre passive ont été insérées dans la cavité. La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau de gauche. Les paramètres utilisés sont les moyennes pondérées de ceux de chaque fibre utilisée Figure 5.21: Courbes expérimentale et théorique de la largeur spectrale du signal de sortie en fonction de la puissance pour le laser 6/125 utilisant une réflexion de Fresnel. La courbe théorique a été calculée avec l éq. 5.9 et les paramètres du tableau de gauche. La largeur du HR (σ HR ) est utilisée pour le calcul Figure 5.22: Puissance laser de sortie pour doubler la raie d émission par rapport à la bande passante du filtre en fonction de γl et α

13 1 1. Introduction 1.1 Lasers à fibre de puissance opérés en régime continu Les lasers à fibre dopée aux terres rares constituent une solution convoitée pour les lasers de puissance. Contrairement aux lasers à l état solide, qui sont sujets aux distorsions thermo-optiques, la géométrie du milieu de gain des lasers à fibre permet un meilleur transfert thermique et une distribution longitudinale de la charge thermique. La qualité du faisceau de sortie des fibres optiques peut être uniquement limitée par la diffraction. Les fibres dopées représentent aussi une solution potentiellement économique. Depuis 2003, la puissance des systèmes laser à fibre de haute puissance (LFHP) utilisant l ytterbium ne cesse d augmenter [1].Cette période coïncide avec l apparition de diodes laser à semiconducteurs de forte puissance. Dès 2004, des travaux à l université de Southampton ont démontré une cavité laser de 1 kw de puissance continue (CW) à 1.1 µm, et cela, avec un paramètre de qualité de faisceau M 2 =1.3. IPG, leader manufacturier de LFHPs, a offert sur le marché commercial le premier LFHP de 1 kw avec une qualité de faisceau M 2 <1.05 [2]. En 2005, IPG démontre le premier système laser à étages multiples de 2 kw dans un format tout-fibre avec une qualité de faisceau limitée par la diffraction [3]. Plus récemment, des LFHPs monomodes, utilisant le thulium comme terre rare, ont été démontré avec une puissance excédant 600 W à 2 µm [4]. Notons aussi les démonstrations d amplificateur à raie étroite d environ 500W [5,6] et un système laser à étages multiples monomode de 6 kw [7]. La puissance de ce dernier n est limitée que par la disponibilité de la puissance de pompage. Cependant, la littérature est présentement incomplète au sujet des LFHPs et les secrets des exploits de la compagnie IPG sont encore inconnus. Un problème fondamental persistant des fibres dopées à l ytterbium est le photonoircissement qui dégrade l efficacité optique des LFHPs. Bien que différents codopants tels le phosphore résolvent ce problème, les fibres à faible photonoircissement engendrent des complications lors de leur fabrication et pendant l opération monomode des lasers.

14 2 Les principales applications industrielles des LFHPs sont la soudure et la découpe de précision des matériaux. La puissance et la qualité de faisceau sont nécessaires pour augmenter la profondeur de la soudure, la découpe et la vitesse d exécution. Les lasers au CO 2 sont très utilisés pour ces applications. Cependant, les LFHPs pourront éventuellement les remplacer lorsque leurs prix seront compétitifs. La figure 1.1 montre la distribution des composants d un laser à fibre de puissance utilisant des fibres à double gaine (DCOF). Les cavités sont linéaires et utilisent des réseaux de Bragg comme réflecteurs. Il y a un réseau de Bragg de réflexion élevée (HR) et un autre de réflexion plus faible (LR). Il n y a pas de laser de puissance en anneau, car il n y a pas de coupleur et d isolateur de puissance. Des diodes laser multimodes sont injectées dans la fibre DCOF à partir de combinateurs de pompes. L extracteur de modes de gaine est utilisé pour éliminer la pompe non absorbée (la pompe résiduelle) ou le signal se propageant dans la gaine. Combinateur de pompe HR Fibre active dopées DCOF LR Extracteur de modes de gaine Câble de sortie Épissures Figure 1.1: Configuration typique d un LFHP utilisant des fibres à double gaine. Le guidage optique dans la cavité d un laser à fibre linéaire est schématisé à la figure 1.2. Le signal est guidé dans un cœur de diamètre d 1 et d indice de réfraction n 1. La cavité de longueur L c est circonscrite par deux réseaux de Bragg. Le signal subit un gain dans le cœur sur une longueur L g. Généralement la longueur de la fibre active est importante par rapport à la longueur des fibres passives ( L g L c L). La pompe, qui peut être injectée dans les deux directions, est guidée dans une gaine de diamètre d 2 où l indice de réfraction n 2 est plus faible que celui du cœur. Pour que la lumière soit à son tour guidée dans la gaine, la deuxième gaine doit avoir un indice de réfraction n 3 inférieur à celui de

15 3 la première gaine. La lumière guidée dans le cœur s échappe principalement de la cavité à travers le réflecteur LR car celui-ci a une réflectivité faible (typiquement 10%). L c faisceau pompe d 2 L g n 3 n 2 faisceau pompe d 1 n 1 cœur sortie HR R 1 1 e gaine 2 e gaine LR R 2 Région de gain Tracé de rayon de la pompe Tracé de rayon du signal n 1 > n 2 > n 3 Figure 1.2 : Représentation des guides d ondes de la cavité laser. Dans une cavité laser à fibre, le spectre du signal de sortie est déterminé par les bandes de réflectivité des réseaux de Bragg. La longueur d onde centrale de la bande de réflectivité des réseaux de Bragg doit être comprise dans la plage d émission du milieu de gain. L oscillateur produira alors un signal dont la raie d émission sera centrée dans la bande de réflectivité des réseaux de Bragg. La largeur spectrale de la raie d émission est dictée, d une part, par la largeur spectrale de la bande de réflectivité des réseaux de Bragg, et d une autre, par la puissance du signal selon un phénomène non-linéaire, le mélange à quatre ondes. Le chapitre 5 présente une théorie sur l élargissement de la raie d émission laser en fonction de la puissance ainsi que des mesures expérimentales. Il est montré que la raie d émission varie selon une fonction de la puissance du signal.

16 4 1.2 La photodégradation des fibres dopées à l ytterbium. La photodégradation des fibres optiques dopées à l ytterbium constitue la principale difficulté dans l opération des LFHPs. Ce phénomène consiste dans la détérioration temporelle de la transmission optique de la fibre de gain. Cela affecte l efficacité laser de façon importante. Dans les pires cas, la photodégradation peut provoquer une diminution de plus de 20% sur le signal de sortie après seulement quelques dizaines d heures d opération. Les fibres présentant une dégradation continue, c.-à-d. sans signe de saturation, ou une forte sensibilité à la photodégradation sont commercialement inutilisables. Les phénomènes de photodégradation ont longtemps été observés, mais les causes et les solutions ont toujours été mal comprises jusqu à présent. Les dernières années ont cependant apporté quelques indices à la compréhension de ce phénomène et des solutions partielles sont maintenant disponibles. La photodégradation est dépendante du type d opération laser, des composants chimiques et des paramètres de fabrication des préformes. D abord, la photodégradation présente une dépendance de 2 e ordre avec l inversion de population [8]. Ainsi, une fibre active opérée dans une cavité laser ne présentera pas le même niveau de photodégradation qu en amplification, car les densités d inversion de population ne sont pas les mêmes. La photodégradation est aussi dépendante de la puissance, car son augmentation accélère la dégradation. La littérature présente trois principales sources non exclusives à la photodégradation. S.Yoo et al proposent que la dégradation soit liée aux centres de déficit d oxygène associés à l Yb [9]. M. Engholm et coll. présentent la possibilité qu il y ait formation d ions Yb 2+ dans la matrice de verre à partir des ions Yb 3+ par un phénomène de transfert de charge [10,11]. Cela serait un précurseur de centres de couleur. Finalement, l interaction entre des paires d ions Yb 3+ et des phénomènes de regroupement provoquant la formation d Yb 2+ participeraient au phénomène de photodégradation [12]. La dépendance de la photodégradation à la concentration d Yb est évidente. Cependant, la diminution de la concentration diminue l absorption de la pompe

17 5 et l efficacité des LFHPs en est donc diminuée, car l augmentation de la longueur de fibre active augmente les pertes de transmission. Sachant que la photodégradation aura toujours une dépendance au type d opération, il faut donc travailler sur la diminution des sources de la photodégradation dans la matrice de verre. Il existe quatre principales compositions chimiques qui permettent de réduire la photodégradation. La solution la plus simple présentée dans la littérature est l ajout important d aluminium [8]. Les aires effectives d absorption et d émission sont élevées et les propriétés mécaniques et optiques sont bonnes. Les fibres aluminosilicates (Yb/Al) sont faciles à fabriquer et il est simple d en obtenir à faible ouverture numérique. Cependant, les taux de dégradation demeurent encore élevés pour des applications réelles. Les fibres phosphosilicates (Yb/P), qui sont codopées au phosphore, offrent une forte résistance à la dégradation [13] car le phosphore est reconnu pour augmenter la solubilité des ions Yb 3+. Cela diminue le regroupement d ions [14]. Par contre, les aires effectives sont diminuées et la fibre présente des pertes intrinsèques généralement plus élevées. De plus, le profil d indice de réfraction est difficile à contrôler et le phosphore engendre des ouvertures numériques plus élevées qui rendent très difficiles la fabrication de fibres à gros cœur sans piédestal. Les fibres aluminophosphosilicates (Yb/Al/P) ont une résistance moyenne à la dégradation et présentent une diminution des aires effectives. Celles-ci peuvent néanmoins être une solution pour des systèmes laser de puissance moyenne (100 W-200 W). Très récemment, M. Engholm et coll. ont proposé et expérimenté l ajout de cérium aux aluminosilicates pour diminuer la photodégradation [15]. Le cérium est reconnu compte capteur de charges libres et peut donc diminuer la formation de centres de couleur. L ajout de cérium conserverait les propriétés des aluminosilicates, mais comme pour le phosphore, il est difficile de faire des cœurs à faible ouverture numérique sans piédestal. Plusieurs travaux ont porté sur les méthodes de mesure et de caractérisation de la photodégradation des fibres. Une fibre ayant subi de la photodégradation présente un spectre de transmission bien particulier. De fait, les pertes dans la région visible sont de plusieurs ordres supérieures à celles dans le proche infrarouge. Des méthodes de mesure

18 6 simples basées sur cette signature ont été proposées pour caractériser les fibres actives [16]. Il est aussi possible, par certaines mesures expérimentales, de caractériser le comportement de la photodégradation pour une fibre dopée particulière et d en prédire le comportement à long terme [17]. On trouve dans la littérature plusieurs références qui montrent que les effets dus à la photodégradation seraient réversibles. Un tel «photoblanchissement» peut se produire avec la température [18], l exposition à l ultraviolet [12], à la capture d oxygène [9] et à la puissance pompe [19]. Cependant, ces méthodes sont difficilement applicables à des produits commerciaux.

19 7 2 Conception des lasers à fibre de haute puissance 2.1 La fibre optique comme milieu de gain La fibre optique à saut d indice La fibre optique à saut d indice est un cas simple de profil d indice de réfraction menant à un comportement optique bien documenté dans la littérature. La figure 2.1 présente le profil d indice d une fibre à saut d indice. n 1 n 2 n 2 a Axe du coeur a Distance radiale Figure 2.1: Profil d indice de réfraction d une fibre à saut d indice. L ouverture numérique (ON) d une telle fibre est donnée par les indices de réfraction [20] : ON = n 1 2 n 2 2 (2.1) La fréquence normalisée, appelée le nombre V, est un paramètre sans dimension qui dépend des indices de réfraction, du rayon du cœur a et de la longueur d onde d opération λ: V = 2π λ a(on) (2.2)

20 8 Le nombre V indique quels sont les modes pouvant être propagés dans le cœur. Une fibre propagera uniquement le mode fondamental LP 01 pour un nombre V inférieur à la valeur de coupure V c du mode suivant (LP 11 ) de Au-dessus de V c = 2.405, la fibre sera alors multimode, car plusieurs modes pourront être propagés dans le cœur. Les valeurs de coupure V c correspondent aux zéros des fonctions de Bessel. Le nombre total de modes M s pouvant être guidés est proportionnel au carré du nombre V : M s V2 2 (2.3) La longueur d onde de coupure λ c d une fibre monomode définit la longueur d onde où la fibre commencera à propager les modes supérieurs : λ c = Vλ (2.4) Le diamètre du champ électromagnétique du mode fondamental, appelé diamètre du champ modal (MFD), est un paramètre important qui caractérise le comportement des fibres monomodes. E 0 E 0 /e 0 w 0 MFD=2w 0 Figure 2.2: Distribution de l amplitude du champ du mode fondamental dans une fibre monomode.

21 9 Le MFD peut être déterminé par une relation entre le nombre V et le rayon du cœur a de la fibre pour 0.8 < λ λ c < 1.9: MFD = 2w 0 = a V V 6 (2.5) Bien qu on connaisse différentes causes de perte d épissure, il existe une perte intrinsèque due à la différence du MFD des deux fibres à fusionner. La perte de fusion T est due à la différence entre les valeurs w 01, et w 02 du MFD dans les deux fibres. Cette perte est donnée par: T = 10log 4 w 02 w 01 + w 01 w 02 2 db (2.6) Fibre à double gaine La fibre à double gaine est largement utilisée dans les lasers à fibres. Initialement proposée par Snitzer et coll. [21], cette configuration permet d utiliser de puissantes pompes multimodes de plus faible brillance pour le pompage optique de fibres dopées monomodes. Une fibre à double gaine consiste à entourer la première gaine par un milieu à plus faible indice de réfraction (la deuxième gaine) pour permettre le guidage optique. La figure 2.3 présente une coupe transversale d une fibre optique à double gaine. Première gaine Cœur dopé Indice de refraction n 4 n 2 n 1 n 3 Deuxième gaine Revêtement Axe du coeur Figure 2.3: Coupe transversale d une fibre optique à double gaine.

22 10 Cette deuxième gaine peut être soit du verre dopé au fluor, pour obtenir une ouverture numérique (ON) de 0.22, ou un fluoroacrylate avec un indice de réfraction entre 1.38 et 1.36, permettant une ON entre 0.46 et 0.5. Le revêtement est toujours un polymère permettant de conserver l intégrité mécanique de la fibre optique. Plus l ON de la première gaine est élevée, plus la brillance du faisceau pompe pourra être faible. Le revêtement de polymère à faible indice a donc un avantage important sur une configuration tout verre. La forme non circulaire de la deuxième gaine contribue au mélange modal de la pompe. Plusieurs travaux numériques [22, 23] portant sur le tracé de rayon dans les fibres à double gaine circulaires montrent un faible recouvrement du faisceau pompe avec le cœur. Considérant l ON fixée, il sera plus facile d injecter de la puissance pompe dans la première gaine si son diamètre est plus grand. Cependant, dans le cas où les dopants sont uniformément répartis dans un cœur de diamètre donné d 1, l absorption de la pompe α par les dopants du cœur varie selon le carré du diamètre de la première gaine d 2 selon : α d 1 2 d 2 ( 2.7) 2 Ainsi, pour d 2 plus grand, il faudra grossir le diamètre de cœur ou augmenter la concentration de dopant pour conserver une absorption de pompe suffisante Fibre avec un piédestal Les fibres avec un piédestal, ou fibres à triple gaine, permettent un meilleur contrôle de la composition du cœur, de l indice de réfraction et de l ON [24, 25]. Notamment, ce design permet d augmenter la concentration de dopant tout en ayant une faible ON dans les fibres à grands champs modaux (LMA). La figure 2.4 montre le profil d indice de réfraction de ce type de fibre pour le cas d un cœur à saut d indice. Des travaux ont montré que les fibres avec un piédestal ont une résistance aux pertes par courbure [26].

23 11 n 2 n 1 Coeur 1 ère gaine n 3 2 e gaine n 4 3 e gaine a Axe du coeur a Distance radial Figure 2.4: Profil d indice de réfraction d une fibre avec piédestal Les dopants Différents dopants sont utilisés pour la fabrication des fibres optiques de silice [27] dans le but de modifier les propriétés optiques et mécaniques de la préforme et de la fibre. Cette sous-section présente une brève description des principaux effets des différents dopants. Ytterbium (Yb 3+ ): L ytterbium est une terre rare maintenant bien connue et largement utilisée pour les lasers à fibres à 1 µm pulsés et continus (CW). Les concentrations d ytterbium trivalent (Yb 3+ ) dans les fibres DCOF sont généralement élevées pour obtenir un taux d absorption suffisant. Ces fibres sont donc sujettes au photonoircissement bien que les taux d inversion sont généralement faibles à cause du courts temps de relaxation. Germanium (Ge): Le Ge est utilisé comme dopant pour augmenter l indice de réfraction. Ce dopant augmente de façon importante la photosensibilité du verre au rayonnement UV. Ainsi, des réseaux de Bragg sont inscrits par laser UV dans les fibres dopées au Ge [28]. Pendant la fermeture de la préforme, le germanium a tendance à s évaporer au centre du cœur et cela peut créer une dépression de l indice de réfraction. [29].

24 12 Aluminium (Al): L aluminium est couramment utilisé [30] pour augmenter la concentration d Yb dans la matrice de verre. Ce dopant augmente l indice de réfraction du cœur et peut être utilisé pour remplacer le germanium. Une forte concentration d aluminium a montré une certaine résistance à la photodégradation, mais elle est trop faible pour les applications de haute puissance [14]. La figure 2.5 montre, tel que mesuré selon les techniques décrites dans les travaux de Morasse [31], les courbes de section efficace d absorption et d émission pour une fibre aluminosilicate dopée Yb. Les fibres aluminosilicates dopées à l Yb sont donc généralement pompées à 915 et 975 nm. 3,0E-24 2,5E-24 Section efficace (m^2) 2,0E-24 1,5E-24 1,0E-24 5,0E-25 Absorption Emission 0,0E Longueur d'onde (nm) Figure 2.5: Section efficace d absorption et d émission d une fibre aluminosilicate dopée Yb. Phosphore (P): Les préformes sont fortement dopées au phosphore pour obtenir des fibres dopées Yb 3+ résistantes au photonoircissement [13, 30]. La forte concentration de phosphore modifie considérablement les propriétés mécaniques du verre [15]. De plus, les sections efficaces d absorption de l Yb deviennent plus uniformes entre 915 et 960

25 13 nm comme le montre la figure 2.6. Le pompage à 960 nm est possible et cela diminue considérable le défaut quantique pour l émission à 1.08 µm. La forte concentration de phosphore entraîne aussi des fibres à pertes intrinsèques généralement plus élevées [32]. Le phosphore a une forte tendance à s évaporer lors de la fermeture de la préforme par la méthode modifiée de déposition de vapeur chimique (MCVD). Cela peut engendrer une dépression centrale de l indice de réfraction qui est difficilement compensée sans détériorer les autres paramètres. 1,6E-24 1,4E-24 Section efficace (m^2) 1,2E-24 1,0E-24 8,0E-25 6,0E-25 4,0E-25 2,0E-25 Absorption Emission 0,0E Longueur d'onde (nm) Figure 2.6: Section efficace d absorption et d émission d une fibre phosphosilicate dopée Yb. Fluor (F): Le dopage au fluor est utilisé pour abaisser l indice de réfraction du verre [33]. Pour la fabrication de fibre à double gaine tout verre, la gaine de verre est dopée au fluor pour abaisser considérablement son indice de réfraction et permettre le guidage de la pompe. Les préformes seront dopées au F conjointement avec le Ge pour obtenir des fibres photosensibles à faible ouverture numérique. Cependant, le fluor diffuse très facilement dans la matrice de verre [34]. Cela a comme conséquence d augmenter l ON

26 14 de la fibre au niveau d une épissure. Les pertes d épissure peuvent donc être plus importantes que prévu lorsqu une fibre dopée au fluor est fusionnée à une fibre non dopée au fluor, sauf dans le cas où cela améliore la compatibilité des champs modaux. Bore (B) : Le bore est utilisé le plus souvent comme codopant afin d augmenter la photosensibilité des fibres dopées au germanium pour l inscription de réseaux de Bragg [35]. La concentration plus faible de germanium pour la même sensibilité permet d obtenir des fibres à faible ON sans l ajout de fluor. Cérium (Ce) : Le cérium est un élément reconnu comme antinoircissant dans l industrie du verre [15]. Il permettrait d obtenir des fibres dopées à l'ytterbium avec une certaine résistance à la photodégradation. Le cérium augmente l indice de réfraction. Cependant, la concentration de cérium est de l ordre de celle d'ytterbium et la matrice aluminosilicate dopée au cérium conserve toutes ses propriétés mécaniques. Le cérium n offre pas une contribution importante aux pertes de fonds intrinsèques Opération monomode des fibres multimodes. Pour augmenter la puissance de sortie des LFHPs, il est intéressant d augmenter le diamètre de la gaine pour augmenter la puissance pompe. Cependant, l absorption de la pompe diminue rapidement, tel que présenté à la section Il faut donc pouvoir augmenter le diamètre du cœur. Cependant, les cœurs strictement monomodes deviennent difficiles à obtenir lorsque le diamètre augmente. Selon l éq. (2.2), il suffirait de diminuer l ouverture numérique pour obtenir un nombre V plus petit que à la longueur d émission. En pratique, les fibres à très faible ouverture numérique (< 0.05) deviennent inutilisables, car les pertes par courbure deviennent excessives. Ainsi, les fibres deviennent rapidement multimodes lorsqu on cherche des puissances élevés. L opération monomode des fibres multimodes est possible selon quelques techniques connues, notamment le filtrage modal par perte de courbure et la sélection modale par injection.

27 15 Filtrage par perte de courbure : Les fibres optiques à faible ouverture numérique (0.06 à 0.08) sont sujettes aux pertes induites par courbure. Un filtrage modal est possible, car les modes d ordre supérieur subissent davantage de pertes de courbure que le mode fondamental [36]. Les fibres de gros cœur et faible ouverture numérique sont appelées les fibres à grand champ modal «LMA». Les fibres à grand champ modal possédant un nombre V jusqu à 7 peuvent être opérées monomodes en enroulant la fibre de gain, pourvu que le rayon de courbure nécessaire soit raisonnable (> 5cm) et que l ouverture numérique soit suffisamment faible. Une courbure trop forte peut engendrer des problèmes mécaniques à long terme. Cette méthode de filtrage est largement utilisée, mais ne semble pas aboutir à des produits commerciaux intéressants, notamment parce qu il n existe pas de réelle solution à la photodégradation pour les fibres à faible ouverture numérique. Néanmoins, la majorité des cavités laser fabriquées au cours de ce travail a été réalisée avec des fibres à grand champ modal. Sélection modale par injection Depuis un certain temps, il est connu qu une excitation monomode d une fibre multimode permet d obtenir de l amplification et un faisceau de sortie où la qualité est limitée par la diffraction [37]. Il s agit d injecter un signal qui a un recouvrement parfait avec le mode fondamental de la fibre multimode. La fibre doit être résistante aux microcourbures pour éviter l échange d énergie entre les modes, ce qui détériorerait la qualité du faisceau. Très récemment, Morasse et al. [38] ont proposé une méthode simple pour obtenir des lasers CW de puissance utilisant des fibres multimodes à ON élevée. Elle consiste à utiliser des fibres passives strictement monomodes dans la cavité et de sélectionner l ON et le diamètre de cœur pour que le diamètre de champ modal soit compatible avec celui de la fibre de gain. Leur configuration utilise des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres monomodes d ouverture numérique et de diamètre de cœurs plus petits que ceux de la fibre de gain. Les pertes aux épissures pour le mode fondamental sont néanmoins faibles car les diamètres des champs modaux étant similaires. Cette

28 16 méthode permet donc l utilisation de fibres de gain ayant une ouverture numérique jusqu à 0.2. Les fibres qui ont montré une forte résistance à la photodégradation ont généralement des ouvertures numériques élevées. Ainsi, des lasers à fibre de haute puissance monomodes et résistants à la dégradation peuvent être conçus selon cette méthode. Cependant, aucun système utilisant cette méthode n a été fabriqué au cours de ce travail La photodégradation du milieu de gain L observation de la photodégradation a lieu principalement lors de l opération continue des systèmes laser. De fait, les fibres dopées ytterbium, qui sont sensibles à cette dégradation, permettent l observation de la dégradation après quelques heures d opération continue. Par exemple, la figure 2.7 montre une fibre aluminosilicate dopée ytterbium utilisée en amplificateur pendant 4 heures en continu. La dégradation dans ce cas particulier est de plus de 1% à l heure. Cela est catastrophique comparativement aux spécifications de 10% aux dix mille heures généralement requises pour les applications ,5 Puissance de sortie (W) 54 53,5 53 y = -0,50x + 54,46 52, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Temps (heures) Figure 2.7: Puissance de sortie en fonction du temps d une fibre aluminosilicate dopée ytterbium utilisée en amplificateur. La source laser produit un signal avec une puissance de 15 W.

29 17 La photodégradation a cependant une signature spectrale très particulière sur la transmission optique. Les pertes de transmission causées par le photonoircissement sont des dizaines de fois plus importantes dans le visible. Ainsi, une dégradation de 1% sur la transmission du signal dans le proche infrarouge correspond à une transmission pratiquement nulle dans le visible. Pour faire ce type de mesure, une source blanche est injectée dans la fibre de test et la puissance en fonction de la longueur d onde est mesurée par un analyseur de spectre optique (OSA). Une courbe de référence est d abord réalisée avant d engendrer du photonoircissement à l échantillon de fibre. Ensuite, la mesure est reprise après cette opération. Cette mesure a été effectuée sur l échantillon de la fibre dégradée de la figure 2.7. Les résultats, portés à la figure 2.8, montrent le noircissement prononcé de la fibre dans le visible Amplitude (dbm) Avant photo-degradation Après photo-degradation Avant photodégradation Après photodégradation Longueur d'onde (nm) Figure 2.8: Courbe de transmission spectrale avant et après une opération laser continue d une fibre aluminosilicate dopée Yb ayant engendré de la photodégradation.

30 18 Il est plutôt simple de quantifier la photodégradation dans le cas de fibres qui y sont fortement sensibles. Cependant, la mesure de dégradation de fibres plus résistantes peut être difficile à réaliser. De fait, dans un système laser, il n y a pas que le milieu de gain qui dégrade en fonction du temps. Les diodes laser subissent aussi une dégradation de leur puissance de sortie en fonction du temps. De plus, les conditions expérimentales changent énormément entre deux systèmes laser et cela rend difficile la comparaison des fibres de gain. Des mesures de photodégradation des fibres dopées basées sur la signature spectrale dans le visible ont été proposées [16]. Le but de ces bancs d essai est de contrôler le niveau d inversion et de déceler avec plus de précision la photodégradation pour réduire le temps de test. Cependant, cela considère uniquement la dégradation liée au niveau d inversion. Il y a toujours la possibilité que la dégradation soit aussi causée en partie par le niveau de signal. 2.2 Composantes optiques Diodes laser à semi-conducteur de puissance Les diodes laser de puissance sont utilisées pour pomper les fibres à double gaine dopées. Par leur coût, elles sont des composants très limitatifs pour la conception de systèmes laser de haute puissance. La puissance maximale pouvant être injectée dans les systèmes laser dépend directement de l intensité du faisceau de sortie des diodes laser. Typiquement, l' ouverture numérique du faisceau de sortie des diodes laser varie entre 0.12 et Ces diodes fortement multimodes peuvent être couplées à une fibre de 100 µm à 200 µm de cœur. Il existe des diodes émettrices simples fibrées, généralement avec des puissances pouvant aller de 7 W à 20 W pour une ouverture numérique de 0.12 à 0.15, offrant un bon rapport d intensité sur le coût. Cependant, celles-ci n intègrent généralement pas de filtre dichroïque et sont donc sensibles aux instabilités laser et aux retours de puissance sur la surface émettrice. Ces diodes émettrices peuvent être intégrées dans un système optique dans le but d en combiner les faisceaux et ainsi obtenir un système de diodes puissant. Cela se fait au détriment de l efficacité électrique et du coût, mais l intensité du faisceau de sortie se trouve augmentée et des protections (filtres dichroïques, isolateur, etc.) peuvent y être insérées. Ces mêmes systèmes d intégration

31 19 peuvent utiliser des barres de diodes laser. Ces systèmes de diodes produisent typiquement entre 30 W et 100 W à des ouvertures numériques de 0.22 dans des fibres multimodes avec des cœurs de 100 µm à 200 µm. Le coût de ces pompes est intimement lié à l intensité de sortie Coupleur optique multimode Les diodes lasers à semi-conducteurs couplées dans de la fibre optique peuvent être combinées en un seul faisceau vers une fibre à double gaine à l aide d un coupleur de pompes multimode. Les coupleurs optiques assemblés par fusion sont capables de supporter plus de 1 kilowatt de puissance pompe [39]. Ces composantes multimodes sont donc nécessaires pour des systèmes laser de haute puissance tout fibre. Fusion des fibres de pompes Épissure Ancrage Revêtement double gaine 3x1 7x1 19x1 Figure 2.9: Schéma d un coupleur multimode assemblé par fusion et distribution spatiale des branches. Le principe de fonctionnement des coupleurs multimodes repose sur la conservation de l intensité. Le rapport d intensité BR est une fonction du diamètre d entrée D entrés et de sortie D sortie des fibres, de leurs ouvertures numériques respectives ON entrée, ON sortie et du nombre de fibres d entrée n [39] : BR D 2 sortie 2 ON sortie nd 2 entrée ON entrée 2 (2.8)

32 20 La conservation de l intensité sera respectée pour BR 1. Dans le cas contraire, le coupleur aura des pertes importantes. En d autres mots, il est impossible d augmenter la qualité d un faisceau optique à l aide de ce composant sans engendrer des pertes. En plus de devoir respecter la conservation d intensité, le nombre de fibres pouvant être combinées est dicté par un arrangement spatial des fibres d entrées. La figure 2.9 montre également l agencement spatial des fibres dans un coupleur. Typiquement, ces combinateurs ont 3, 7, 13, 19, ou 31 fibres fusionnées ensemble. Finalement, la distribution spatiale des cônes d émission de la lumière pompe dans le guide d onde fortement multimode, parfois appelé facteur de remplissage («filling factor»), est un paramètre influant sur les pertes de pompe dans les coupleurs et les épissures. Le pire scénario survient lorsque chaque élément spatial du guide d onde émet une intensité radiale uniforme qui recouvre complètement le cône d acceptante du guide d onde. Cela correspond à un remplissage complet du guide d onde. Les branches d entrée présentant ce scénario produiront des pertes supérieures dans le coupleur diminuant ainsi l efficacité globale du système laser Extracteur de modes de gaine Un extracteur de modes de gaine (CMS «cladding mode stripper»), est utilisé pour éliminer les modes se propageant dans la première gaine d une fibre à double gaine. Le principe consiste à éliminer le guidage optique en remplacent la deuxième gaine par un milieu à haut indice de réfraction. La figure 2.10 montre la représentation sommaire de ce concept. Le tracé des rayons indique que seuls les rayons à très faible ouverture numérique seront encore présents dans la gaine après une propagation sur une distance L. Des travaux expérimentaux par A.Wetter [40] démontrent cependant que ce type de CMS simpliste extrait plus difficilement les rayons à faible divergence (ON < 0,05). Ces résultats sont en accord avec nos observations sur les extracteurs de modes de gaine.

33 21 Absorbant metallique n 2 n 3 θ max n 1 θ L d 1 L Figure 2.10: Représentation d un CMS et propagation des rayons. Pour un CMS sur une fibre à double gaine, les indices de réfraction vont comme suit : n 2 < n 1 < n 3. L angle de divergence maximal du faisceau θ max est généralement donné par l ouverture numérique (ON) de la gaine : θ max = sin 1 (ON) (2.9) L angle maximal θ L des rayons pouvant être injectés dans la gaine après une propagation sur un distance L est donné par : θ L = atan d 1 L (2.10) Dans l hypothèse d une distribution remplissant complètement la gaine, ce qui est le cas de l injection par lampe blanche de ce montage, la proportion d énergie contenue dans un cône de divergence θ est approximativement θ/θ max. Ainsi, l atténuation att CMS d un CMS parfaitement droit est donc : att CMS = log θ L θ max (2.11) Pour valider le modèle simple des tracés des rayons, une expérience a été réalisée. Elle consiste à injecter un faisceau, à l aide d une lampe blanche, dans une fibre de 400 µm de diamètre de gaine avec une ON maximale de 0.45 et de mesurer la différence de puissance de sortie en fonction des paramètres du CMS.