N o d ordre: THÈSE Présentée pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR EN SCIENCES DE L UNIVERSITÉ PARIS-SUD XI Spécialité : Physique par Igor Martial Systèmes laser pompés par diode à fibres cristallines : oscillateurs Er:YAG, amplificateurs Nd:YAG Soutenue le 12 Décembre 2011 devant la Commission d examen: M. François Balembois (Directeur de thèse) M. Fabien Bretenaker (Examinateur) M. Patrice Camy (Rapporteur) M. Julien Didierjean (Invité) M. Marc Eichhorn (Invité) M. Jean Montagne (Examinateur) M. Olivier Musset (Rapporteur)
Thèse préparée au En collaboration avec Laboratoire Charles Fabry Fibercryst SAS Groupe Lasers Institut d Optique Graduate School La Doua - Bat. l Atrium 2, avenue Augustin Fresnel Bd LATARJET 91 127 Palaiseau CEDEX F- 69 616 VILLEURBANNE
Remerciements Tout d abord j aimerais remercier Pierre Chavel et Christian Chardonnet, qui ont occupé le poste de directeur du laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique, pour m avoir accueilli pendant ces trois années au sein du laboratoire. Je remercie également l école doctorale EDOM pour son soutien. Je remercie également la DGA pour avoir financé, à travers le contrat Feypia, le projet de recherche qui a servi de support à mon travail de thèse. Cet argent a été dépensée jusqu au dernier denier en diode laser, pieds, montures, tiges et autres miroirs. Je remercie Jean-Marie Fourmigué, PDG de la société Fibercryst, qui m a embauché en convention CIFRE pendant ces trois ans et quelques mois. Je remercie particulièrement M. Patrice Camy du CIMAP, et M. Olivier Musset de l Institut Carnot de Bourgogne, qui ont accepté d être rapporteurs de mon manuscrit, et qui ont participé à son amélioration par leurs remarques et leurs questions. Je remercie également, M. Fabien Bretenaker du Laboratoire Aimé Cotton, M. Julien Didierjean de la société Fibercryst, M. Marc Eichhorn de l Institut Saint-Louis et M. Jean Montagne de la société CILAS, qui m ont fait l honneur et le plaisir de faire partie de mon jury. Durant trois ans et six mois, j ai eu la chance, que dis-je, l honneur de travailler au sein de l équipe ELSA, plus connue maintenant sous le nom de Groupe Laser (c est quand même plus classe). Beaucoup disent de cette équipe qu elle est une grande famille. Il est vrai qu on ne peut que s y sentir bien. C est avec ces quelques lignes qui ne suffiront sans doute pas que je souhaite remercier tous ceux qui ont fait vivre cette équipe durant ces trois ans et demi. Je ne peux que commencer par François Balembois, qui fût mon directeur de thèse. Mais avant tout, faisons un petit point d histoire. J ai passé mes cinq premiers mois dans l équipe en tant que stagiaire de troisième année en travaillant avec Marc Hanna (alias le Grand Marc) et Dimitris. Alors que j essayais d intégrer le groupuscule femto 1 par le biais d une thèse, je le vis bondir sur moi tel un tigre. Profitant des quelques minutes qui séparaient deux de ses réunions, c est avec le sang-froid et l adresse d un chasseur de baleine inuit qu il me lança son sujet de thèse CIFRE. Pris au piège, je compris que mes trois prochaines années seraient consacrées à l étude de fibres cristallines. Vous l aurez compris, François Balembois a su faire de la chasse au doctorant un art! Véritable boite à idées ambulante, il est capable de vous donner à tout moment une piste à explorer, un début d explication quand vous êtes dans l impasse. Bien que son emploie du temps surchargé en ferait pâlir plus d un, il trouve toujours du temps à consacrer à ses doctorants. Grand pédagogue, il peut vous expliquer le fonctionnement de n importe quel laser avec un tableur excel. Cet homme aux nombreuses casquettes : professeur, un temps directeur des études, chef d orchestre de l ensemble flûte et pipeau de l Institut d Optique, directeur de thèse, excelle dans tout ce qu il entreprend. François est la quintessence du directeur de thèse. Je ne pourrais jamais assez te remercier pour tout ce que tu m as donné pendant ces trois ans. Tu as su me guider tel un phare dans la brume. J ai la chance de pouvoir continuer à travailler avec toi et j en suis fier. 1. Sorte de société franc-maçonnique au sein d ELSA dont le but est de maintenir son monopole sur tout ce qui produit, amplifie ou mesure des impulsions femto-secondes.
Je tiens aussi à remercier tout particulièrement Damien Sangla. Ancien doctorant de François, il a été mon maître Jedi pendant la première année de ma thèse. Il m a tout appris sur les fibres cristallines : l art de les monter dans la graisse thermique sans en mettre partout, comment aligner les cavités laser avec ces objets peu ordinaires. Merci pour tous ces conseils et autres explications que tu m as donnés. Tu as su me transmettre ton savoir. Merci aussi pour ton excellent manuscrit que me sert encore beaucoup aujourd hui. Passons maintenant aux permanents de l équipe, en commençant bien évidement par Patrick Georges, le patriarche de cette grande famille. Son deuxième prénom, «l encyclopédie des lasers» résume bien le personnage. Pour toutes questions sur le fonctionnement d un système laser c est l homme à qui il faut s adresser. Mais ce qui est particulièrement impressionnant chez lui c est sa vision du monde des lasers, du travail des doctorants de l équipe et sa capacité à les aiguiller lorsqu il faut faire des choix stratégiques. Merci Patrick pour toutes ces discussions sur mon travail, l actualité, l architecture sur le plateau de Saclay, pour tes visites à l improviste en salle de manipe, pour les visionnages en direct des J.O. dans la bibliothèque,... et pour le reste. Pour tous ceux qui ont déjà joué au Munchkin, Gaëlle Lucas-Leclin est sans nul doute celle qui a inspiré «l épée de féminisme exacerbé». Pour les autres, Gaëlle c est la Femme de l équipe (oui, avec un grand F). Véritable combattante pour la place des femmes dans la recherche, elle se bat chaque jour pour faire reculer l ignorance de ses élèves, pour que le labo reste un minimum rangé (à l exception notable de son bureau), pour faire comprendre au monde que les semi-conducteurs c est LA technologie qui va enterrer toutes les autres, pour élever le niveau des discussions lors des pauses café. Elle a toujours cinq minutes voire même des heures pour vous rappeler ce que vous avez osé oublier de son cours sur les aberrations, vous conseiller sur un choix vestimentaire ou sur votre projet professionnel. Gaëlle, merci pour tout. Marc Hanna dit le Grand Marc impressionne tout le monde par son calme, sa zénitude, à croire qu il a été moine tibétain dans une autre vie. Mais c est toujours avec beaucoup d humour et un langage bien à lui qu il prend plaisir à tout expliquer sur la physique des lasers à fibre. Merci pour tous ces moments de détente et tes conseils scientifiques avisés. Parfois qualifié d enfant turbulent, d écureuil de laboratoire (quand il s agit d amasser de la mécanique dans sa salle), Frédéric Druon alias Frédator possède un esprit vif qui en a dérouté plus d un. Je crois qu il est vain d essayer de comprendre comment il fonctionne. Fred égaye chaque temps mort dans la vie de l équipe. La porte de son bureau est toujours ouverte, que ce soit pour discuter science, plongée ou faits divers. Merci pour tous ces bons moments. Après les permanents passons à ceux que l on peut qualifier de mi-permanents : Dimitris, tout droit venu de Grèce, sa connaissance des films underground est aussi vaste que celle des oscillateurs femto ; Yoann, spécimen appartenant au genre parisien branché, son style vestimentaire est négligé en apparence mais très soigné en réalité, il a toujours une adresse à recommander pour vos vacances, une anecdote surréaliste sur la dernière conférence ; Alain, le bricoleur de l équipe, toujours de bon conseil quand vous voulez refaire votre salle de bain ou bien tarauder des trous dans votre méca ; Fabiola, ma co-bureau depuis plus d un an, qui à rapporter dans ses bagages un peu d ambiance brésilienne; et sans oublier Sylvie qui avec Gaëlle et Fabiola fait parti du groupuscule girls only. Merci à vous tous. Passons enfin aux doctorants en commençant par les anciens : David, gardien de la bienséance dans l équipe et Marc, véritable réincarnation de Barney Stinson. Vous avez transmis aux plus jeunes l esprit des doctorants d ELSA à travers les pauses thés, les CASSEROLE et autres Piniouf! Viennent ensuite les moins anciens : Franck, Delphine et Mathieu. Une mention spéciale pour Mathieu qui a été mon premier co-bureau dans l équipe. Tu m as appris toutes les
ficelles de l équipe, comment décrypter les caractères des permanents. Merci pour tous les moments de détente et de franche rigolade que l on a partagés dans ce merveilleux bureau. Merci à Delphine pour avoir remarquablement bien animé le bureau du bonheur que tu occupais. J y ai passé un grand, très grand nombre de pauses thé en ta compagnie. Merci à Franck pour tous ces grands débats informatiques sur le thème «qui a le meilleur OS». En bon geek bornés que nous sommes notre avis sur la question n a pas bougé d un yotta en deux ans. N oublions pas Viviane, doctorante de ma promotion que l on ne voyait pas souvent car exilée dans un laboratoire de la vallée. Merci à toi pour ta bonne humeur et ton sourire qui illuminait le labo à chacune de tes visites. Il y a enfin les plus jeunes : Sandrine, Louis, Patricia, Xavier, Florence et Adrien. Vous avez repris le flambeau avec brio. Une mention spéciale tout de même pour Xavier et Adrien avec qui j ai beaucoup travaillé. Xavier c est avant tout un esprit scientifique très vif, j essaye de le suivre mais ce n est pas chose facile. C est aussi un breton qui vit avec une polonaise. Autant vous dire que c est le parfait compagnon de boisson en conférence! Merci pour toutes ces manipes en tandem, les soirées à San Francisco et Salamanca, et toutes ces pauses détente où tu viens taper dans le stock de gâteaux de Fabiola. Adrien est un marin, fils de marin, doublé d un geek. Autant dire que pour moi, c est le padawan rêvé. Intéressé par tout, bricolo à ses heures, c est avec plaisir que je discute de tout avec lui. Adrien et Xavier, je continue à travailler avec vous aujourd hui et c est un plaisir sans cesse renouvelé. Et pour finir ce tour d horizon de l équipe, place aux stagiaires : Nabile, Raphaël, Heather, Florian, Simon, Hugo et ceux que j oublie. Merci surtout à Heather et Simon que j ai eu le plaisir d encadrer. L avantage de la thèse CIFRE est que l on peut travailler avec deux équipes formidables. Dans mon cas, ma deuxième famille s appelle Fibercryst. Cette petite entreprise lyonnaise est composée d une poignée des gens fort sympathiques, à commencer par Julien. Ancien SupOp, ancien doctorant de François, un peu geek, beaucoup roliste, il a été mon encadrant durant ces trois ans. Toujours à l écoute, il a suivi semaine après semaine, voire même jour après jour l avancée de mon travail. Capable de faire jeu égal avec François quand il fallait trancher entre intérêts scientifiques et intérêts économiques, il a toujours été présent quand j en avais besoin. Merci pour la confiance que tu m as accordée et les conseils que tu m as donnés. Venu du monde obscur de la cristallogenèse, Nicolas, Didier et Abdès viennent compléter la bande. Merci à vous pour votre bonne humeur, pour ces soirées déjantées à San Francisco. Gardien du trésor de cette famille, tel Cerbère, Jean-Marie est un patron à la poigne ferme capable de lâcher du leste quand il le faut. Toujours le sourire aux lèvres, il a toujours une petite blague pour détendre l atmosphère. Ces remerciements touchent à leur fin, il est temps pour moi d adresser un petit mot à ma famille et mes amis. Grâce à vous j ai pu passer des soirées et des week-end inoubliables, complètement déconnecté du travail. Une petite dédicace à Julien, Georges, Jérémy et Jeff pour nos soirées pizzas / Age of Empires, elles vont me manquer. Un immense merci à Sophie qui a été d un soutien et d une compréhension incroyables. Merci pour la relecture de ce manuscrit et pour tout le reste.
Table des matières Introduction Générale 13 I Oscillateurs Er :YAG vers 1,6 µm 15 Introduction 17 1 État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire 19 1.1 Cadre de l étude bibliographique.......................... 19 1.2 Émission à sécurité oculaire par conversion non linéaire.............. 19 1.3 Émission directe par des sources à matériaux amorphes.............. 20 1.4 Émission directe par des sources à cristaux..................... 22 1.4.1 Les cristaux co-dopés............................. 22 1.4.2 Le pompage résonnant............................ 22 1.4.2.1 Le pompage par laser à fibre................... 23 1.4.2.2 Le pompage par diode laser.................... 25 1.5 Conclusions sur l état de l art............................ 27 1.6 Présentation du concept utilisé........................... 28 1.6.1 Un problème de recouvrement pompe/signal................ 28 1.6.2 Choix de la longueur d onde de pompe................... 29 2 Méthode d élaboration des fibres cristallines 31 2.1 Méthode de croissance Czochralski......................... 31 2.2 Les céramiques laser en forme de fibre....................... 32 2.3 La méthode de croissance par «Laser Heated Pedestal Growth» (LHPG)... 33 2.4 La méthode de croissance par micro-pulling-down (µpd)............. 34 2.5 Conclusion sur les méthodes d élaboration des fibres cristallines......... 35 3 Étude théorique pour le dimensionnement de fibres cristallines dopées erbium 37 3.1 Propriétés spectroscopiques de l ion erbium.................... 37 3.1.1 Sections efficaces d émission et d absorption................ 37 3.1.2 Influence de la température sur les propriétés spectroscopiques..... 39 3.2 Présentation du modèle............................... 40 3.2.1 Hypothèses et équations de base...................... 40 3.2.1.1 Géométrie du système....................... 40 3.2.1.2 Modélisation du milieu à gain................... 41 3.2.2 Origine de l élévation de température et mise en équations........ 43 3.2.2.1 Les phénomènes générateurs de chaleur............. 43 3.2.2.2 Expression de la fraction thermique............... 44 3.2.2.3 Calcul de la répartition de température dans la fibre cristalline 44 3.2.3 Modélisation du faisceau laser........................ 46
3.2.4 Modélisation du faisceau de pompe..................... 47 3.2.5 Méthode de calcul.............................. 49 3.3 Étude théorique du gain petit signal........................ 50 3.3.1 Méthode de calcul du gain petit signal................... 50 3.3.2 Influence du diamètre de la fibre cristalline................ 50 3.3.3 Influence de la longueur et du dopage de la fibre cristalline........ 51 3.3.4 Compétition entre 1617 nm et 1645 nm.................. 52 3.3.4.1 Influence de la puissance de pompe................ 52 3.3.4.2 Influence du diamètre de la fibre cristalline........... 53 3.3.5 Pompage des deux côtés de la fibre cristalline............... 53 3.3.6 Conclusions sur l étude du gain petit signal................ 54 3.4 Étude théorique de la puissance laser en régime continu............. 54 3.4.1 Méthode de calcul de la puissance laser en régime continu........ 54 3.4.2 Influence du diamètre de la fibre cristalline................ 55 3.4.3 Influence des pertes passives......................... 56 3.5 Échauffement dans la fibre cristalline........................ 57 3.6 Conclusion de l étude théorique........................... 59 4 Caractérisations des fibres cristallines 61 4.1 Caractérisation structurale du matériau...................... 61 4.2 Caractérisation des propriétés spectroscopiques.................. 62 4.3 Caractérisation des propriétés optiques intrinsèques................ 62 4.3.1 Transmission intrinsèque........................... 62 4.3.1.1 Mesure du taux de transmission................. 62 4.3.1.2 Évaluation de la qualité du faisceau transmis.......... 64 4.3.2 Propriétés de guidage............................ 65 4.4 Conclusion sur les caractérisations des fibres cristallines............. 66 5 Réalisations expérimentales d oscillateurs laser à fibres cristallines dopées erbium 67 5.1 Choix de la cavité laser............................... 67 5.2 Oscillateur en régime continu à la longueur d onde de 1617 nm......... 68 5.3 Oscillateur en régime déclenché à la longueur d onde de 1617 nm........ 72 5.4 Émission à la longueur d onde de 1645 nm..................... 75 5.4.1 Pompage sur l axe.............................. 75 5.4.1.1 Oscillateur en régime continu................... 75 5.4.1.2 Oscillateur en régime déclenché.................. 76 5.4.2 Pompage hors axe.............................. 77 5.4.2.1 Oscillateur pompé hors-axe en régime continu.......... 77 5.4.2.2 Oscillateur pompé hors-axe en régime déclenché........ 79 5.5 Bilan des résultats obtenus en configuration laser................. 81 Conclusions et perspectives sur les sources laser à fibres cristallines dopées erbium 83 Positionnement par rapport à l état de l art et réponse au cahier des charges..... 83 Limites rencontrées et améliorations envisagées..................... 84 Vers d autres application des fibres cristallines en Er :YAG............... 85 II Amplificateurs Nd :YAG impulsionnels 87 Introduction 89
1 État de l art 91 1.1 Cadre de l étude bibliographique.......................... 91 1.2 Les sources à fibres amorphes dopées........................ 91 1.2.1 Les fibres à double cœur........................... 91 1.2.2 Les fibres à cristaux photoniques...................... 93 1.2.3 Bilan sur les fibres amorphes........................ 94 1.3 Les sources à cristaux massifs............................ 94 1.3.1 Architecture classique............................ 94 1.3.2 Les lasers à disques minces......................... 96 1.3.3 Les «slabs» laser.............................. 97 1.4 Conclusions sur l état de l art............................ 98 1.5 Présentation du concept utilisé........................... 99 1.5.1 Choix de la configuration.......................... 99 1.5.2 Géométrie du milieu à gain......................... 99 1.5.3 Choix du dopant............................... 100 1.5.4 Choix de la matrice............................. 100 1.5.5 Conclusion sur le concept utilisé...................... 101 2 La physique de l amplificateur 103 2.1 Une modélisation rapide............................... 103 2.2 Propriétés spectroscopiques............................. 104 2.2.1 Sections efficaces d émission et d absorption................ 104 2.2.2 Influence de la température sur les propriétés spectroscopiques..... 105 2.2.3 L addition de photons par transfert d énergie............... 105 2.2.4 Le couplage température / section efficace / APTE............ 106 2.3 Présentation du modèle............................... 107 2.3.1 Modélisation du milieu à gain........................ 107 2.3.2 Origine de l élévation de température et mise en équations........ 108 2.3.3 Méthode de calcul du gain.......................... 109 2.4 Influence des effets limitatifs............................. 109 2.4.1 Étude du spectre d émission spontanée en fonction du dopage...... 109 2.4.2 Étude du gain en fonction du dopage.................... 111 2.4.3 Importance relative des différents effets limitatifs............. 112 2.4.4 Conclusion sur les effets limitatifs...................... 113 2.5 Optimisation des différents paramètres expérimentaux.............. 114 2.5.1 Influence de la luminance de la diode de pompe.............. 114 2.5.2 Influence du rayon de la fibre cristalline.................. 115 2.5.3 Influence de la longueur et du dopage de la fibre............. 116 2.6 Conclusion de l étude théorique........................... 117 3 Réalisations expérimentales d amplificateurs laser à fibres cristallines dopées néodyme 119 3.1 Optimisation de l amplificateur........................... 119 3.1.1 Luminance de la diode de pompe...................... 119 3.1.2 Dopage optimum............................... 121 3.1.3 Géométrie co-propageant ou contra-propageant.............. 121 3.1.4 Conclusion sur l optimisation de l amplificateur.............. 123 3.2 Caractérisation de l amplificateur.......................... 124 3.2.1 Amplification à haute cadence........................ 124 3.2.2 Amplification à haute énergie........................ 127 3.3 Bilan des résultats expérimentaux.......................... 131
Conclusions et perspectives sur les amplificateurs laser à fibres cristallines dopées néodyme 133 Positionnement par rapport à l état de l art....................... 133 Réponse au cahier des charges............................... 135 Améliorations envisagées.................................. 135 Annexes 139 A Modèles numériques d évolution des sections efficaces de l Er :YAG en fonction de la température 139 B Résolution des équations des débits en régime stationnaire pour l Er :YAG 141 Liste des publications et conférences de l auteur 143 Références 145
Introduction Générale Ce manuscrit rassemble les résultats de trois années de thèse au sein du Groupe Laser du Laboratoire Charles Fabry. Effectuée en étroite collaboration avec la société Fibercryst, cette thèse est consacrée à l étude de fibres cristallines dans des systèmes laser. Parmi les différents milieux à gain laser existant la fibre cristalline est un objet atypique. Elle se situe à la frontière entre deux mondes : celui des cristaux massifs et celui des fibres optiques. D un point de vu géométrique elle est plus longue et plus fine qu un cristal massif mais plus courte et de plus gros diamètre qu une fibre optique. De fait elle est capable de guider la lumière par réflexion totale interne mais aussi de laisser se propager un faisceau peu divergent en libre propagation. Ces concepts sur lesquels elle repose en font un objet à fort potentiel et utilisable dans de nombreuses applications. Les premiers photons laser sortant de fibres cristallines au Laboratoire Charles Fabry ont été obtenus par Julien Didierjean au cours de ses travaux de thèse entre 2004 et 2007 alors qu une collaboration entre le laboratoire, qui conçoit de nouveaux systèmes laser, et la société Fibercryst, qui fabrique les fibres cristallines commençait. Cette collaboration forte entre chimistes et opticiens, a permis de réaliser des avancés considérables tant sur la qualité des fibres cristallines que sur les performances des systèmes laser les utilisant. Durant ma thèse je me suis intéressé à deux applications bien distinctes utilisant des fibres cristallines : des oscillateurs laser déclenchés émettant à la longueur d onde de 1, 6 µm et des amplificateurs laser fonctionnant à la longueur d onde de 1064 nm. Ces deux parties sont traitées séparément dans ce manuscrit mais avec la même approche : description des motivation du travail de recherche, analyse de l état de l art, modélisation physique du système puis présentation et analyse des résultats expérimentaux.
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Première partie Oscillateurs Er :YAG vers 1,6 µm
Introduction De nombreuses applications des lasers requièrent une propagation du faisceau dans l atmosphère. Civiles ou militaires, elles concernent la télémétrie, la vision de nuit, la détection et le dosage de polluants dans l atmosphère, l anémométrie, l altimétrie... Pour ce type d applications il est nécessaire que la longueur d onde utilisée se situe dans une zone de transparence de l atmosphère terrestre. Cependant, les lasers peuvent être la cause de différentes lésions oculaires qui dépendent de plusieurs facteurs : longueur d onde du laser, gamme de puissance ou d énergie, durée d exposition ou encore divergence du faisceau. Il convient donc pour ces applications de se placer dans une gamme de longueur d onde dite à «sécurité oculaire», c est-à-dire entre 1,5 µm et 1,7 µm. En effet, c est dans cette gamme de longueur d onde que les seuils de dommages de la cornée et de la rétine de l œil humain sont les plus élevés et que la transparence de la cornée est faible [Varona 06]. Parmi ces applications, la vision de nuit a retenu notre attention car elle est actuellement limitée par les performances des lasers auxquels elle fait appel. Il existe plusieurs types de technologies utilisées pour la vision de nuit. On peut citer l imagerie passive de nuit qui utilise des détecteurs ultra-sensibles (back-illuminated CCD, low light level CCD,...) ou des détecteurs munis d intensificateurs d image. Ces techniques sont très performantes et permettent de faire de l imagerie dans des conditions de luminosité très faible (lune, étoiles,... ), mais nécessitent des temps de pose ou temps d intégration de plusieurs millisecondes, ce qui exclut toute application embarquée à cause des vibrations. Une autre voie possible pour faire de l observation de nuit est d utiliser la technique de l imagerie active. Dans ce cas, on associe au système d observation une source d éclairage artificiel permettant d illuminer la scène à observer. Pour respecter la contrainte de temps d intégration court, il faut utiliser une source d éclairage capable de délivrer une forte puissance d éclairage pendant la durée d intégration du récepteur. Cette condition est parfaitement réalisable avec des sources laser qui possèdent, en plus, une bonne directivité du faisceau, ce qui est fondamental pour ce type d application. Le grand avantage de cette technique est qu elle permet de travailler même en l absence totale de lumière (ciel couvert de nuit). Afin de s affranchir d une de la rétrodiffusion de la lumière sur les particules présentes dans l atmosphère (brouillard, poussière,...) qui vient perturber la qualité d image et d autre part de la diffusion avant qui vient atténuer le signal de retour, on a recours à une technique appelée crénelage temporel ou «range-gating» en anglais. Cette technique est basée sur le temps de vol d une impulsion de lumière très courte (de l ordre de la dizaine de nanosecondes). Elle permet d analyser une scène en profondeur en modifiant le délai entre l impulsion et la fenêtre temporelle de détection. Les systèmes d imagerie active embarqués sur des véhicules ou des aéronefs nécessitent des portées supérieures à 10 km et fonctionnent actuellement à des cadences réduites (de l ordre de 1 à 10 Hz) imposées par les systèmes laser utilisés. Il est nécessaire d augmenter la cadence de ces lasers tout en maintenant la longue portée, c est-à-dire une forte énergie par impulsion. En consultant les acteurs du monde industriel qui commercialisent ou utilisent de tels systèmes, le cahier des charges «idéal» suivant peut être défini : durée des impulsions : quelques dizaines de nanosecondes, énergie par impulsion : de 1 à 10 mj, cadence : de 1 à 10 khz,
18 qualité spatiale du faisceau : facteur M 2 < 5, système simple, efficace et peu encombrant. Dans cette première partie nous allons nous intéresser au développement d une source laser déclenchée répondant à ce cahier des charges. Après une étude des différentes solutions existantes, nous allons montrer que des fibres cristallines en grenat d yttrium dopé à l ion erbium (Er :YAG) représentent une solution prometteuse pour remplir ce cahier des charges. Nous présenterons ensuite nos résultats expérimentaux qui démontrent le potentiel de ce milieu à gain particulier.
Chapitre 1 État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire 1.1 Cadre de l étude bibliographique Au cours de ce chapitre, nous proposons une étude bibliographique sur les solutions développées pour la réalisation de sources laser impulsionnelles émettant à une longueur d onde de sécurité oculaire (entre 1,5 µm et 1,7 µm). Nous limiterons notre étude aux systèmes «tout solide». Enfin pour ce qui est de la durée des impulsions, nous nous limiterons à la gamme allant de 1 ns à 100 ns. Au delà de 100 ns les impulsions sont trop longues pour les applications d imagerie active visées. Les impulsions plus courtes qu une nanoseconde sont plus complexes à obtenir car leur production requiert des systèmes laser à synchronisation des modes en phase. Ces systèmes sont complexes à mettre en œuvre à des énergies supérieures au microjoule. Notre étude portera donc sur les systèmes déclenchés activement ou passivement. 1.2 Émission à sécurité oculaire par conversion non linéaire La maturité et la capacité à produire de fortes puissances des systèmes laser basés sur l ion néodyme en font un bon point de départ pour une émission dans la bande de sécurité oculaire. En particulier, le grenat d yttrium dopé à l ion néodyme (Nd :YAG) présente une grande section efficace d émission et une nature quatre niveaux ce qui permet la réalisation de sources déclenchées de forte puissance crête délivrant des impulsions de quelques dizaines de nanosecondes à la longueur d onde de 1064 nm. De telles sources peuvent servir d injecteur pour des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) basés sur des matériaux comme le KTP, le KTA ou encore le PPLN, permettant de générer des longueurs d onde autour de 1,5 µm. Ce type d architecture a permis d obtenir une puissance moyenne de 33 W à la cadence de 100 Hz et à la longueur d onde de 1534 nm [Webb 98]. Cependant ce type de solution présente des inconvénients. Tout d abord, l aspect multi-étages de cette approche entraine une augmentation du nombre de composants (et donc du coût final) et rend la conception d un produit compact et fiable difficile. Une source laser émettant directement à une longueur d onde de sécurité oculaire pourrait être en théorie plus efficace. De plus, l efficacité de conversion limitée de chaque étage bride le rendement global du système. On définit le défaut quantique comme la différence d énergie entre un photon de pompe absorbé et un photon laser émis rapporté à l énergie d un photon de pompe. Le défaut quantique η Q vaut donc : η Q = 1 λ P λ L
20 Chapitre 1 - État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire avec λ L et λ P respectivement la longueur d onde laser et la longueur d onde de pompe. Toute l énergie qui n est pas consommée sous forme lumineuse sera dissipée sous forme de chaleur. Ici, la chaine débute par des diodes de pompe à la longueur d onde de 808 nm pour produire une émission laser à la longueur d onde de 1064 nm ce qui correspond à un défaut quantique de 24 %. La conversion non linéaire pour obtenir une émission vers 1540 nm se fait sans génération de chaleur. Ceci limite la montée en puissance et peut être incompatible avec une utilisation de terrain. 1.3 Émission directe par des sources à matériaux amorphes Les premières sources laser émettant directement dans la bande de sécurité oculaire avaient pour milieu à gain du verre dopé à l ion erbium. Des lampes flash étaient utilisées pour le pompage du milieu à gain. Du fait du système trois niveaux de l ion erbium, ces lasers ne fonctionnaient qu à basse température [Kiss 61]. Cependant, plusieurs facteurs ont relancé l intérêt de la communauté scientifique dans l étude de ce genre de laser : la mise en évidence du transfert d énergie de l ion ytterbium vers l ion erbium et la réalisation de matrices codopées [Snitzer 65]. Mais aussi l émergence des diodes laser de puissance à base de composé quaternaire (InGaAsP) émettant vers 980 nm pouvant ainsi permettre le fonctionnement de ces lasers à température ambiante. Figure 1.1 Transfert d énergie entre l ion ytterbium et l ion erbium dans le cas d un laser Er :verre pompé par diode Le principe du codopage ytterbium-erbium est représenté sur la figure 1.1. Un ion ytterbium absorbe un photon de pompe (dans la bande 940 980 nm) et se retrouve ainsi dans un état excité au niveau 2 F 5/2. Il s ensuit un transfert d énergie vers un ion erbium voisin qui se retrouve alors excité dans le niveau 4 I 11/2. Une désexcitation non radiative de l ion erbium le fait descendre au niveau 4 I 13/2, niveau haut de la transition laser. Dans certains cas, si la concentration relative en ions erbium et ytterbium n est pas optimum, un transfert inverse d énergie peut se produire, de l ion erbium vers l ion ytterbium. Cependant dans une matrice comme le verre, la désexcitation de l ion erbium du niveau 4 I 11/2 vers le niveau 4 I 13/2 est suffisamment rapide pour minimiser ce transfert inverse d énergie [Levoshkin 01].
Partie 1.3 - Émission directe par des sources à matériaux amorphes 21 Aujourd hui la technologie des lasers à verre codopé erbium-ytterbium est mûre. Avec un pompage par lampe flash, des impulsions de 70 ns / 11 mj à la longueur d onde de 1534 nm peuvent être obtenues mais à des cadences de quelques Hz seulement [Kalashnikov 02]. Avec un pompage par diode laser des impulsions de 30 ns / 50 mj à la longueur d onde de 1540 nm peuvent être obtenues mais à la cadence de 1 Hz seulement soit une puissance moyenne de 0,05 W [Georgiou 01]. A des cadences plus élevées, des impulsions de 20 ns / 250 µj à la longueur d onde de 1543 nm peuvent être obtenues à la cadence de 1,2 khz soit une puissance moyenne de 208 mw [Prasad 04]. Cette limitation en puissance moyenne est une conséquence de l importante quantité de chaleur générée lors du pompage couplée aux mauvaises propriétés thermiques du verre. Notamment, la conductivité thermique très faible du verre (environ 0,6 W.cm 2 ) entraîne une importante élévation de la température qui peut conduire à sa fracture ou sa fusion. L élévation de la température dans le milieu à gain est aussi causée par la charge thermique qui lui est imposée. Cette charge thermique vient de l absorption de la pompe et est d autant plus grande que le défaut quantique est grand. Ici le pompage se fait à une longueur d onde voisine de 980 nm pour une émission laser autour de 1540 nm. Le défaut quantique est donc de l ordre de 36%. De plus, les sections efficaces d absorption de la pompe et d émission laser diminuent lors d une élévation de la température [Eichhorn 08b]. Ainsi, une élévation de la température dans le milieu à gain entrainera une baisse de l efficacité du système laser. Pour passer outre cette limitation, la géométrie de fibre optique pour le milieu à gain est particulièrement adaptée. En effet le grand rapport surface sur volume d une fibre optique permet une excellente gestion de la thermique. Parmi les sources fibrées à sécurité oculaire, on retrouve la solution du codopage erbium-ytterbium qui profite de la grande efficacité des diodes laser à la longueur d onde de 976 nm pour la pompe [Savage-Leuchs 06]. Cependant le contrôle précis de leur composition, requis afin d optimiser le transfert d énergie non radiatif entre l ytterbium et l erbium, rend leur fabrication difficile et moins reproductible que pour des fibres dopées avec un seul ion. De plus la vitesse limitée du transfert d énergie entre les deux ions conduit à des effets d embouteillages à forte puissance et à l apparition d émission spontanée amplifiée à la longueur d onde de 1 µm causée par l ion ytterbium [Setzler 05]. Les meilleures performances atteintes avec ce type de source concernent des impulsions de 2 ns / 300 µj à la longueur d onde de 1567 nm pour une puissance moyenne de 12 W soit une cadence de 40 khz [Di Teodoro 04]. Pour aller plus loin en énergie, il est possible d utiliser des fibres optiques dopées unique- Figure 1.2 Schéma de la configuration utilisée par Desmoulins [Desmoulins 08]. ment par l ion erbium, notamment dans une configuration d amplificateur pour augmenter l énergie d une source émettant à une longueur d onde plus élevée, dans la bande L (1560 1610 nm). Avec ce type de milieu à gain, les meilleures réalisations obtiennent des
22 Chapitre 1 - État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire impulsions de 1 ns / 1,4 mj à la cadence de 7,5 khz et à la longueur d onde de 1567 nm [Desmoulins 08]. Dans cette configuration, qui est représentée sur la figure 1.2, la source de faible puissance (4 µj) est envoyée dans quatre amplificateurs à fibre successifs. Si en sortie l énergie par impulsion obtenue est utile pour nos applications, le système arrive à ses limites. En effet l émission spontanée amplifiée devient non négligeable et sera gênante à des niveaux d amplification plus élevés. De plus à ces niveaux d énergie, les effets non linéaires commencent à se manifester, notamment l auto-modulation de phase et le mélange à quatre ondes. L élargissement du cœur de la fibre ne pourra être une solution puisque dans cette expérience la fibre optique est déjà multi-modes et le faisceau laser en sortie présente un facteur M 2 de 8. Pour des applications où l on vise une propagation du faisceau laser sur plusieurs dizaines de kilomètres cette qualité spatiale n est pas suffisante. Comme nous venons de le voir, les sources à matériaux amorphes ne permettent pas d obtenir les performances visées. Elles sont soit limitées par une cadence trop faible, soit par une énergie par impulsion insuffisante ou alors présentent une architecture trop complexe et limitée en puissance. Il faut donc se tourner vers les sources à base de cristaux. 1.4 Émission directe par des sources à cristaux Les cristaux présentent des conductivités thermiques bien meilleures que celle du verre. D autre part, les sections efficaces d absorption et d émission plus élevées associées à des tailles de faisceaux beaucoup plus grandes que dans les fibres optiques permettent de forts gains sans effet non linéaire. 1.4.1 Les cristaux co-dopés Comme pour le verre, un codopage ytterbium-erbium a d abord été étudié dans de nombreux cristaux notamment le grenat d yttrium (YAG) [Schweizer 95], le vanadate d yttrium (YVO 4 ) [Sokólska 00], le CAS (Ca 2 Al 2 SiO 7 ) [Simondi-Teisseire 96a], le YCOB [Burns 04] et le LSB [Diening 98]. Néanmoins le transfert d énergie de l ytterbium vers l erbium dans le cristal n est pas plus efficace que dans le verre [Simondi-Teisseire 96b, Wang 02]. La plus forte puissance obtenue en régime continu est d environ 270 mw avec un cristal de Yb,Er :YCOB [Burns 04]. Tous ces systèmes utilisaient un coupleur avec une réflectivité supérieure à 95%, ce qui montre les faibles gains obtenus, et aucun n a fonctionné en régime déclenché. Cette faible efficacité peut être attribuée à l important transfert inverse d énergie qui est favorisé par un temps de vie plus long du niveau 4 I 11/2 dans les cristaux (voir figure 1.1). Plus récemment, des travaux sur le cristal YAG co-dopé erbium-ytterbium ont permis d obtenir, en régime déclenché, des impulsions de 340 ns / 1,7 mj à la longueur d onde de 1645 nm et à la cadence de 4 Hz [Georgiou 05]. 1.4.2 Le pompage résonnant Afin d améliorer l efficacité optique-optique, le pompage résonnant a alors été étudié. Cette technique consiste à utiliser un cristal dopé uniquement à l erbium et de réaliser un pompage directement dans le niveau haut de la transition laser. Cette technique a été utilisée sur différents cristaux parmi lesquels nous pouvons citer le vanadate d yttrium (YVO 4 ) qui a permis d atteindre plus de 100 mw en régime continu [Sokólska 00] et le LuAG qui a permis d obtenir des impulsions de 100 ns / 0,52 mj à la longueur d onde de 1648 nm et à la fréquence de 9 khz [Setzler 03]. Avec le temps, les travaux portant sur des cristaux dopés uniquement à l erbium se sont de plus en plus tournés vers le cristal de YAG, bien connu pour ses avantages :
Partie 1.4 - Émission directe par des sources à cristaux 23 le YAG présente de bonnes propriétés thermo-mécaniques (bonne résistance, conductivité thermique de l ordre de 10 W.m 1.K 1 ), le spectre d émission de l erbium dans une matrice de YAG présente des raies intenses à 1617 nm et 1645 nm alors que la réabsorption est très faible [Schweizer 95, Stange 89], c est dans la matrice de YAG que l ion erbium présente la plus importante levée de dégénérescence du niveau fondamental par effet Stark (523 cm 1 ) [Fornasiero 98], ce qui permet d avoir une occupation thermique du niveau bas de la transition laser de quelques pour-cents seulement. Dans le cas d un cristal de YAG dopé erbium, le pompage est possible autour de 1470 nm et 1533 nm (voir le diagramme énergétique sur la figure 1.3). Le pompage a d abord été assuré par des lasers à verre dopé erbium pompés par flash et émettant à la longueur d onde de 1535 nm [Spariosu 94], mais les performances étaient limitées par la faible puissance de pompe alors disponible. Figure 1.3 Schéma des niveaux d énergie de l ion erbium dans une matrice de YAG pour l émission à sécurité oculaire Plus récemment, d importants développements ont été réalisés sur les sources de pompe pour le cristal de YAG dopé erbium. Deux types de sources sont aujourd hui disponibles commercialement : les lasers à fibre dopée aux ions erbium émettant à la longueur d onde de 1533 nm, les diodes laser en InP, émettant à 1533 nm ou à 1470 nm. Les fortes puissances de pompe alors disponibles ont permis aux lasers à cristaux de YAG dopés erbium d atteindre aujourd hui les plus fortes puissances dans la bande de sécurité oculaire. Ces deux types de sources de pompage, lasers à fibre et diodes laser, présentent chacune des avantages et des inconvénients que nous allons étudier plus en détail dans la suite. 1.4.2.1 Le pompage par laser à fibre La technique de pompage par laser à fibre consiste à partir d une ou plusieurs diodes laser émettant à la longueur d onde de 980 nm. Le faisceau à 980 nm est utilisé comme pompe pour un laser à fibre dopée erbium émettant en continu à la longueur d onde de 1533 nm. Ce laser à fibre est utilisé comme pompe pour le laser à cristal de YAG dopé erbium qui va alors émettre à la longueur d onde de 1617 nm ou 1645 nm. Le schéma de principe est représenté sur la figure 1.4.
24 Chapitre 1 - État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire Figure 1.4 Schéma d une source Er :YAG pompée par un laser à fibre Cette technique présente plusieurs avantages. Tout d abord, le fait de pouvoir utiliser la longueur d onde de 1533 nm qui est la plus proche de la longueur d onde signal. Ceci permet d avoir le défaut quantique le plus petit possible : 5,3% pour une longueur d onde signal de 1617 nm. D autre part la finesse spectrale du laser à fibre est compatible avec la faible largeur de bande d absorption de l erbium dans un cristal de YAG à 1533 nm qui est de 1,5 nm (voir figure 1.5). Enfin, la grande qualité spatiale du faisceau issu du laser à fibre, généralement Figure 1.5 Section efficace d absorption d un cristal de YAG dopé erbium autour de1530nm [Eichhorn 08b] monomode transverse, permet d avoir un excellent recouvrement spatial dans le cristal, même sur de longues distances. Cette technique est donc particulièrement adaptée au pompage de cristaux faiblement dopés qui sont en général longs afin d absorber suffisamment. En effet un faible dopage du cristal va permettre de réduire la charge thermique et de limiter les effets d addition de photons par transfert d énergie (APTE ou encore up-conversion en anglais). Ce phénomène est notamment décrit par F. Auzel [Auzel 73]. C est un processus mettant en jeu deux ions erbium excités, c est-à-dire dans le niveau haut de la transition laser. Ces deux ions vont interagir : le premier va céder son énergie au deuxième. Le premier se retrouve alors à l état fondamental alors que le second se retrouve à un niveau d énergie plus élevé et se désexcitera le plus souvent de façon non radiative c est-à-dire avec émission de chaleur. Ce phénomène est schématisé sur la figure 1.6. Dans le cas de l Er :YAG, le deuxième ion se désexcite de façon non radiative pour revenir dans le niveau haut de la transition laser. Le résultat, du point de vue de l inversion de population pour la transition laser, est la perte d un ion. Cet effet entraîne donc une baisse de l inversion de population, ce qui diminue l efficacité du système laser. Le processus d APTE est d autant plus probable que la concentration en ion erbium est importante.
Partie 1.4 - Émission directe par des sources à cristaux 25 Figure 1.6 Schéma de principe de l addition de photons par transfert d énergie (APTE). Enfin la réduction du dopage permet de diminuer la charge thermique déposée localement, ce qui limite l échauffement du milieu à gain. Ceci est primordial puisque les sections efficaces d absorption de la pompe et d émission laser diminuent lors d une élévation de la température [Eichhorn 08b]. Avec cette méthode de pompage d un cristal de YAG dopé erbium par un laser à fibre, les meilleurs résultats obtenus [Kim 09] font état d impulsions de 20 ns / 4,5 mj / 2,5 khz à la longueur d onde de 1617 nm, avec des records en énergie à 30 mj à la cadence de 20 Hz. Dans cette démonstration le cristal de YAG dopé erbium utilisé présente une longueur de 80 mm pour un dopage de 0,5% at. (0,64 10 20 ions/cm 3 ). Cette technique permet donc d obtenir des résultats tout à fait compatibles avec les applications visées. Cependant son principal défaut est la complexité globale du système. En effet trois étages sont nécessaires (diode laser, laser à fibre, laser Er :YAG). Au contraire le pompage direct par diode permet de supprimer le laser à fibre. Il sera donc plus aisé d intégrer un tel système dans un équipement de terrain. Le système avec pompage par laser à fibre est plus encombrant mais aussi potentiellement moins efficace. 1.4.2.2 Le pompage par diode laser La technique de pompage par diode laser consiste à réaliser le pompage optique du cristal de YAG dopé erbium à la longueur d onde de 1470 nm ou 1533 nm, directement avec une diode laser. Le schéma de principe est représenté sur la figure 1.7. C est le développement récent des diodes laser en InP qui a permis à cette technique de voir le jour. Comme dit précédemment, l avantage de cette technique réside dans la simplicité du système par rapport à la technique du pompage par laser à fibre. Les diodes laser actuellement disponibles sont encore limitées en puissance et en brillance. Le principal inconvénient est la conséquence de la faible brillance des diodes laser. En effet la qualité spatiale du faisceau issu d une diode laser de puissance est médiocre (en comparaison à un laser à fibre), ce qui limite fortement la longueur maximum du cristal utilisable tout en conservant un bon recouvrement entre faisceaux pompe et signal. La tendance est alors à l augmentation du dopage afin de compenser cette diminution de longueur. Cependant, l augmentation du dopage rend le laser moins efficace à cause des effets thermiques et d APTE. Pompage à la longueur d onde de 1533 nm La largeur spectrale typique des diodes laser de puissance en InP est de l ordre de 10 nm. Cette largeur est incompatible avec la largeur de raie de la bande d absorption de l erbium à longueur d onde de 1533 nm qui n est que de 1,5 nm (voir figure 1.5). Une solution pour résoudre ce problème consiste à utiliser une diode laser stabilisée en longueur d onde à l aide d un réseau de Bragg. Il est alors possible de réduire la largeur spectrale de la diode laser à
26 Chapitre 1 - État de l art des sources impulsionnelles de forte puissance à sécurité oculaire Figure 1.7 Schéma d une source Er :YAG pompée par une diode laser 1 nm tout en gardant la longueur d onde centrale verrouillée à 1533 nm quelle que soit la puissance de la diode laser. Dans cette configuration, M. Eichhorn a démontré une émission laser continue à la longueur d onde de 1645 nm d une puissance de 9 W en utilisant deux diodes de 25 W [Eichhorn 08a]. Pompage à la longueur d onde de 1470 nm Contrairement à la longueur d onde de 1533 nm, la longueur d onde de 1470 nm est moins contraignante. En effet la bande d absorption de l erbium dans un cristal de YAG à la longueur d onde de1470nm est de l ordre de10nm (voir figure 1.8), ce qui est compatible avec la largeur spectrale typique des diodes laser de puissance (typiquement 10 20 nm). Cependant du fait Figure 1.8 Section efficace d absorption d un cristal de YAG dopé erbium autour de1470nm [Eichhorn 08b] d une longueur d onde de pompe plus petite (par rapport au pompage à 1533 nm), le défaut quantique est plus élevé : 8,8% à 1470 nm contre 5,3% à 1533 nm pour une longueur d onde signal de 1617 nm. La charge thermique déposée dans le cristal est alors presque deux fois plus élevée. Cette technique a permis d obtenir en régime continu près de 10 mw [Garbuzov 05b] et des impulsions de 8 ms / 0,9 J / 100 Hz [Garbuzov 05a].
Partie 1.5 - Conclusions sur l état de l art 27 1.5 Conclusions sur l état de l art Comme nous l avons vu au cours de cette étude bibliographique, plusieurs techniques permettent une émission dans la bande de sécurité oculaire de façon indirecte par conversion non linéaire ou directe à partir de matériaux dopés à l ion erbium qui se distinguent par la matrice du milieu à gain (verre ou cristal) ou par la technique de pompage (laser à fibre ou diode laser). L ion erbium ayant un fonctionnement régi par une structure quasi-trois niveaux, les meilleures performances sont atteintes avec des architectures dans lesquelles la pompe est fortement confinée. C est le cas des fibres amorphes dopées ainsi que des cristaux pompés par laser à fibre. Le tableau 1.1 rassemble les différentes architectures à émission directe. Il apparaît donc à la lec- Géométrie du milieu à gain Massif Fibre optique Matrice Verre YVO4 CAS LSB YAG Verre Dopage Yb-Er Er Yb-Er Pompe Flash Diode Laser Laser à fibre Diode Laser Longueur d onde émise (nm) 1534 1540 1560 1645 1617 1645 1567 1567 Performances 70 ns 11 mj qq Hz 30 ns 50 mj 1 Hz 270mW en CW 340 ns 1,7mJ 4 Hz 20 ns 4,5mJ 2,5kHz 9 W en continu 1 ns 1,4mJ 7,5kHz 2 ns 300 µj 40kHz Table 1.1 Récapitulatif des différentes architectures laser à émission directe ture de cette étude bibliographique que la réalisation de sources à sécurité oculaire répondant à notre cahier des charges (dizaines de millijoules, dizaines de nanosecondes et quelques kilo Hertz) passe par l utilisation de cristaux de YAG dopés à l ion erbium pour le milieu à gain. La compacité recherchée pour le système nous incite à utiliser la technique de pompage direct par diode laser. Cette étude présente l état de l art au début de nos travaux en 2008. A cette époque, il n y avait eu aucune démonstration de source déclenchée basée sur un cristal d Er :YAG pompé directement par diode laser. Il y avait peu de résultats à la longueur d onde de 1617 nm et les puissances de pompe utilisées étaient relativement faibles. Durant les trois dernières années plusieurs équipes de recherches ont travaillé sur le sujet : M. Eichhorn (Institut Saint-Louis, France), N. Chang (Université d Adelaide, Australie) et notre équipe au Laboratoire Charles Fabry.