Réalisation d un laser à fibre à gain Raman dans l infrarouge

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Noëlle Poitras
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1 Réalisation d un laser à fibre à gain Raman dans l infrarouge Journée du COPL Bernard Déry Superviseur : Réal Vallée Le 13 juin 2005

2 Introduction Lasers à fibre à gain Raman : étudiés depuis les années 70 Permettent de fabriquer des sources laser puissantes dans le proche infrarouge (1-1,5 µm) À l origine, miroirs externes utilisés comme réflecteurs Depuis les années 80, utilisation de réseaux de Bragg plus simples à fabriquer mais effets non linéaires indésirables observé

3 Objectifs Concevoir une source fibrée puissante autour de 1150 nm Éliminer les instabilités causées par l effet Brillouin Rendre le laser accordable Étudier le comportement du laser sous diverses conditions afin de mieux comprendre les différents processus actifs dans la fibre

4 Plan 1. Théorie 1. Effet Raman 2. Effet Brillouin 2. Réseaux de Bragg 1. Description 2. Compression de Réseaux de Bragg 3. Montage de compression 4. Résultats 3. Laser à gain Raman 1. Montage 2. Résultats

5 1. Théorie 1. Effet Raman spontané Absorption d une partie de l énergie d un photon incident par une molécule. Le photon incident est diffusé, subissant une variation d énergie (onde de Stokes). Un phonon optique est produit.

6 1. Théorie 1. Effet Raman stimulé Se produit pour une puissance pompe incidente suffisamment élevée. Un battement se produit entre l onde incidente et l onde de Stokes spontanée. Le processus spontané s entretient et prend de l importance. Après une certaine distance de propagation, le processus devient stimulé. di dz P ω P = gripis α PIP ωs di dz S = g I I α I R P S S S

7 1. Gain Raman 1. Théorie R [ ] g GeO λ 2 P [K. Toge et al.. IEEE photonics technology letters, Vol 14 NO 7 : , juillet 2002 ]

8 1. Théorie 1. Laser à effet Raman

9 2. Effet Brillouin 1. Théorie Phénomène de diffusion (comme l effet Raman) Interaction entre la pompe et l onde anti-stokes, produisant un phonon acoustique Produit une modulation de l indice de réfraction, qui agit comme réseau de Bragg, réfléchissant une partie de l onde incidente di p dz dis = gbipis α PIp dz 1 gb 2 λ v p p = g I I α I B p s S S

10 1. Description 2. Réseaux de Bragg Λ Modulation d indice effectif périodique Réfléchit la longueur d onde correspondant au pas du réseau Λ Quasi-transparent aux autres longueurs d onde

11 2. Réseaux de Bragg 2. Compression de réseaux Principe : compresser un réseau afin d en changer le pas Résultat : variation de λ B avec peu d effets sur l amplitude du réseau Permet de changer la longueur d onde de Stokes d un laser Raman La silice étant beaucoup plus résistante en compression qu en étirement, il est beaucoup plus avantageux de compresser les réseaux.

12 2. Réseaux de Bragg 3. Montage de compression z = L 1 ( θ ) sin / 2 θ /2 ( p 1) λ e θd L λ B

13 2. Réseaux de Bragg 4. Résultats en fonction de l adhésif utilisé λ B (nm) Lepage Epoxy 5 min Tracon F-112 Tracon 813J01 Tracon 2170T z (mm)

14 2. Réseaux de Bragg 4. Résultats : stabilité dans le temps 8 6 λ B (nm) Tra-con F jours 34 jours 45 jours -1,50-1,25-1,00-0,75-0,50-0,25 0,00 z (mm)

15 1. Montage 3. Laser à gain Raman

16 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : 1149 nm Puissance mesurée (watts) 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Pompe résiduelle Onde de Stokes (1149 nm) Pompe résiduelle calculée Onde de Stokes calculée Amplitude (dbm) ,0-0, Puissance pompe injectée (watts) Longueur d'onde (nm)

17 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : 1149 nm Amplitude relative (dbm) Longueur d'onde (nm) Élargissement spectral symétrique Déborde du réseau mais épouse la forme de celui-ci Hypothèse : mélange à quatre ondes

18 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : 1139 à 1149 nm 4,5 Puissance de Stokes (watts) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0, nm 1141 nm 1143 nm 1145 nm 1147 nm 1149 nm Puissance pompe injectée (watts)

19 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : 1160 nm Puissance mesurée (watts) 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5 Pompe résiduelle Onde de Stokes Pompe résiduelle calculée Onde de Stokes calculée 1160 nm Puissance injectée (watts) Amplitude (dbm) Puissance relative Longueur d'onde (nm) Longueur d'onde (nm)

20 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : réseau à large bande Puissance mesurée (watts) Pompe résiduelle Onde de Stokes Pompe résiduelle calculée Onde de Stokes calculée Réseau de sortie large ( ) Puissance injectée (watts) Amplitude (dbm) Puissance relative Longueur d'onde (nm) Longueur d'onde (nm)

21 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : longueur de cavité 5 Puisance mesurée (watts) mètres 112 mètres 200 mètres 1169 nm Puissance injectée (watts)

22 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : stabilité temporelle Puissance mesurée (watts) 2,2 Pompe résiduelle Onde de Stokes (1169 nm) Puissance injectée de 6,5 watts 2,0 1,2 1, Temps (minutes)

23 3. Laser à gain Raman 2. Résultats : Effet Brillouin En remplaçant la source large (environ 2 nm à 1108 nm) par un laser Nd: YAG à raie fine (environ 2,3 pm à 1064 nm), le comportement de la fibre change Puissance mesurée (watts) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, nm 1142 nm 1149 nm Puissance transmise Puissance mesurée (watts) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Puissance retournée 1136 nm 1142 nm 1149 nm 0,0 0, Puissance incidente (watts) -0, Puissance incidente (watts)

24 4. Conclusion Fabrication d un laser puissant (P OUT maximal d environ 7,3 W) Bonne stabilité temporelle, pourrait être améliorée en limitant le nombre de composantes mécaniques (avantage d un laser tout-fibre) Syntonisation théoriquement possible sur plus de 100 nm, a été réalisée sur 20 nm (changer l adhésif utilisé pour améliorer la durabilité) Source large permet d éviter la génération d effet Brillouin Élargissement spectral crée des divergences entre la théorie et l expérience, peut être limité un utilisant un coupleur de sortie large

25 Remerciements Réal Vallée pour son support, ses encouragements, et surtout sa confiance. Dominic Faucher pour ses idées et nos nombreuses discussions. Marc d Auteuil sans qui le laboratoire ne pourrait fonctionner. Martin Bernier et Jean-Philippe Lavoie pour leur aide lors de la fabrication des réseaux de Bragg.

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