21 Juillet – Soutenance de thèse - Germain Guiraud

11 h Amphithéâtre de l'IOA, Institut d’Optique d’Aquitaine (Talence)

Développement de sources laser à fibres dopées Ytterbium haute puissance, monofréquence et à bas
bruit d'intensité.

Les sources laser à fibre, haute puissance et de faible largeur spectrale sont de plus en plus utiles pour des applications à la fois industrielle et scientifique. Cependant, le développement de ces sources est limité par les seuils d’apparition d’effets non-linéaires tels que la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) du fait d’un fort confinement de la lumière dans le coeur de la fibre.

Un premier amplificateur en régime monofréquence de puissance moyenne égale à 50W a été développé à partir d’une diode laser signal de 50 mW. L’étude du bruit d’intensité sur cet amplificateur a montré que l’utilisation de fibres standards (diamètre de coeur < à 20μm) jusqu’à 50W est limitée par l’apparition du phénomène de DBS se traduisant par une dégradation du bruit d’intensité. Pour s’affranchir de ces effets non-linéaires, une solution réside sur l’utilisation de fibres à large aire modale (LMA) dont les diamètres des coeurs sont égaux à plusieurs dizaines de microns. Les fibres LMA présentent un recouvrement [coeur dopé / onde de pompe] optimisé conduisant à une réduction de la longueur du milieu à gain. Par cette stratégie de la diminution du confinement spatial du faisceau avec une diminution de la longueur d’interaction, le seuil d’apparition des effets non-linéaires est repoussé. La seconde étape du développement d’amplificateurs haute puissance à partir de fibres LMA a permis d’obtenir 100W en régime continu monofréquence sans DBS. La fibre LMA utilisée a un diamètre de cœur égal à 40μm. Le passage de 100W à 200W en configuration monolithique a mis en lumière un nouveau phénomène non-linéaire limitant : le phénomène de
Dégradation Modale de la Fibre (DMF). En effet, les cœurs multimodaux des fibres LMA, couplés à une charge thermique par unité de longueur forte (pour une puissance de moyenne de sortie équivalente) vont induire l’apparition d’effets non-linéaires en puissance moyenne : les Instabilités Modales (IM) et la Dégradation Modale de la Fibre (DMF). Ce sont donc les stratégies usuelles
utilisées pour repousser les effets non-linéaires (augmentation du coeur, réduction de la longueur d’interaction) qui ont conduit à l’avènement de ces nouveaux effets délétères. Le phénomène de DMF, démontré par B.Ward en 2016, est un phénomène thermo-optique caractérisé par une dégradation du profil intensimétrique du laser avec un transfert de la puissance du mode LP01 vers
le mode LP11. En addition à ce transfert de puissance d’un mode à l’autre, la DMF présente une chute de la puissance de sortie, synonyme d’une perte de guidage du mode fondamental LP01 dans la zone de gain, à savoir le cœur de la fibre. Contrairement au phénomène bien connu d’Instabilités Modales (IM), ce phénomène n’est pas immédiat dès le seuil d’apparition en puissance atteint. En effet, le régime transitoire associé au phénomène de DMF est beaucoup plus long puisqu’il est directement relié à la dynamique du photo-noircissement. Dans notre étude, le profil intensimétrique en sortie de la fibre active a subi une dégradation au bout de plusieurs dizaines d’heures d’opération à 200W. Pour comprendre ce phénomène de DMF, une étude du photonoircissement en régime continu monofréquence et en régime impulsionnel a été menée. Cette étude a mis en lumière pour la première fois, l’existence d’un équilibre entre photo-noircissement et photo-blanchiment sur des amplificateurs haute puissance en régime impulsionnel. L’apparition des phénomènes thermo-induits dépend de la charge thermique déposée n’est donc pas égale en fonction du régime d’opération : 120W en régime continu monofréquence contre 150W pour le régime impulsionnel picoseconde. Pour finir, une étude et la réduction du bruit d’intensité à partir d’asservissement ont été effectuées sur l’amplificateur 100W démontrant une bande passante supérieure à 1 MHz et une réduction de plus de 30 dB. Ces résultats permettent de développer des sources laser haute puissance à bas bruit à un niveau industriel.

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