Soutenance mémoire
Le développement de sources lasers émettant à 976 nm, efficaces et de forte luminance, est essentiel dans des domaines comme les télécommunications. A cette longueur d’onde infrarouge est associée une longueur d’onde harmonique dans le bleu, 488 nm, utile pour la biologie ou la médecine. La longueur d’onde fondamentale (976 nm) est accessible via les diodes laser, qui représentent actuellement la solution la plus connue pour cette longueur d’onde. Bien qu’elles présentent de nombreux avantages, comme leur compacité, leur longévité, une grande efficacité électrique / optique et un faible coût lié à une fabrication industrielle, des solutions alternatives sont proposées afin de pallier leurs limitations. En effet, les diodes laser monomodes transverses délivrent une puissance limitée à quelques centaines de milliwatts, et les diodes laser de puissance, émettant plusieurs watts, présentent un faisceau fortement multimode (donc de faible qualité spatiale), problématique dans les situations où une forte densité de puissance est nécessaire.
Exemples d’applications des sources autour de 976 nm
Dans le domaine des télécommunications, les sources laser à 976 nm sont indispensables au pompage des amplificateurs à fibres dopées erbium (EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier), utilisés pour l’amplification des signaux à 1,55 µm. Bien que ces amplificateurs puissent également être pompés vers 1480 nm, les longueurs d’onde autour de 976 nm correspondent au maximum d’absorption des ions erbium. Les diodes laser sont actuellement les sources de pompage les plus utilisées pour les EDFA, avec des puissances disponibles de plusieurs watts pour les fibres double-cœur [Keopsys] pour lesquelles le pompage par des diodes multimodes est possible. Pour les fibres dopées monomodes, le pompage doit être réalisé par des diodes laser monomodes transverses, dont les faibles puissances limitent les performances de ces EDFA. Au début de ma thèse, en 2002, un rapport sur les télécommunications soulignait la faible disponibilité de sources laser monomodes transverses à 976 nm [Rapport télécom]. Il était donc intéressant de pouvoir proposer une source monomode transverse de puissance plus importante à cette longueur d’onde pour pomper ces amplificateurs à fibres.
Les sources laser à 976 nm sont aussi nécessaires pour le pompage des lasers solides basés sur des cristaux dopés par des ions des terres rares, tels que les ions erbium ou les ions ytterbium pour les lasers de puissance émettant autour de 1 µm. Ces lasers de puissance utilisent un pompage à 976 nm par des diodes laser de puissance multimodes. Ces sources sont basées soit sur des cristaux [Honea 00], soit sur des fibres optiques dopées [Jeong 04]. Une comparaison du pompage à 920 et 976 nm pour l’amplification d’un signal à 1127 nm dans des fibres dopées ytterbium a aussi montré que les longueurs d’onde autour de 976 nm sont les plus favorables pour cette application [Grot 03]. Une source de puissance à 976 nm monomode transverse est aussi utile pour le pompage de verres co-dopés erbium ytterbium [Grawert 05], ou de guides d’onde monomodes inscrits dans des matériaux dopés par des ions des terres rares [Romanyuk 04] par exemple. La bonne qualité spatiale de la source permet alors d’améliorer les performances en émission de ces matériaux.
Exemples d’applications des sources autour de 488 nm
De manière générale, les sources émettant dans le bleu ont de nombreuses applications, par exemple en biologie ou en médecine. Dans le domaine de la biologie, la cytométrie en flux utilise des cellules marquées par des fluorochromes sensibles à un rayonnement à 488 nm, pour, entre autres, le séquençage du génome [Smith 86]. Les sources bleues servent aussi pour la microscopie confocale de fluorescence ou l’imagerie, en utilisant des colorants ou des nano-objets à base de matériaux dopés par des ions erbium [Aigouy 03]. Une source émettant à 488 nm permet d’exciter la transition Stokes des ions erbium, et ces nano-objets se désexcitent en émettant vers 550 nm, permettant de visualiser leur présence. En médecine, les sources bleues sont utilisées en hématologie, puisque l’hémoglobine absorbe les longueurs d’onde dans le bleu. Dans de tout autres domaines, les sources émettant dans le bleu sont aussi utilisées pour la télécommunication sous marine, d’un satellite à un sous-marin en plongée, par exemple. En effet, l’eau de mer présente un minimum d’absorption dans les longueurs d’onde autour de 488 nm [Smith 81], permettant ainsi le transfert d’informations tout en limitant les pertes par absorption.
Nous pouvons donc constater qu’il y a une forte demande de sources laser à 976 nm et à 488 nm. Certaines applications, notamment dans l’infrarouge, nécessitent des sources de puissance monomodes transverses, comme le pompage de fibres ou de guides d’onde monomodes dopés par des ions des terres rares. Puisque les diodes laser monomodes transverses disponibles délivrent des puissances limitées à quelques centaines de milliwatts, une solution est l’utilisation d’un laser basé sur un cristal de saphir dopé par des ions titane (laser Ti:Sa). Il peut en effet émettre plusieurs watts à 976 nm, mais ne peut être utilisé qu’en laboratoire. Ce laser est pompé soit par un laser Nd:YVO4 doublé en fréquence, soit par un laser à argon ionisé de forte puissance, refroidi par eau. Les lasers à argon refroidis par air délivrent de faibles puissances vers 488 nm et sont utilisés pour les applications nécessitant des puissances modérées (biologie, microscopie). Mais ce type de laser à gaz n’est ni un outil compact, ni une source particulièrement économique, puisque son rendement électrique / optique est faible. Pour ces deux longueurs d’onde (976 et 488 nm), des solutions basées sur des lasers à semiconducteurs sont actuellement en cours d’étude. Au début de ma thèse, les puissances des sources monomodes transverses émettant dans l’infrarouge étaient modestes, inférieures au Watt. Des produits commerciaux sont apparus, pour lesquels les puissances sont limitées, dans le bleu, à quelques dizaines de milliwatts. Le développement de sources laser émettant autour de 976 et 488 nm étant actuellement en plein essor, il est très intéressant d’étudier une solution délivrant un rayonnement laser monomode transverse pour ces deux longueurs d’onde.
|
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I ETAT DE L’ART DES SOURCES INFRAROUGES EMETTANT AUTOUR DE 976 NM ET DES SOURCES BLEUES AUTOUR DE 488 NM.
1 – Etat de l’art des sources émettant autour de 976 nm
1.1 Laser à base de saphir dopé au titane
1.2 Sources à base de semiconducteurs
1.2.1 – Diodes laser à émission par la tranche
1.2.1.1 Diodes laser avec contrôle du spectre
1.2.1.2 Diodes lasers « tapered »
1.2.2 – Lasers à cavité verticale émettant par la surface
1.2.2.1 VCSEL
1.2.2.2 VECSEL
1.2.3 – Synthèse des performances en lasers à semiconducteurs
1.3 Les matériaux dopés par des ions Ytterbium
1.3.1 – Spectroscopie des ions ytterbium
1.3.2 – Un paramètre primordial : l’intensité de transparence
1.3.3 – Les cristaux dopés par des ions Yb3+ pour l’émission à 976 nm
1.3.4 – Les fibres dopées par des ions Yb3+ pour l’émission à 976 nm
1.3.4.1 Les fibres monomodes
1.3.4.2 Les fibres double-cœur
1.3.4.3 Les fibres double-cœur particulières
1.3.4.4 Récapitulatif
2 – Etat de l’art des sources en régime continu émettant autour de 488 nm
2.1 Sources à émission directe autour de 488 nm
2.1.1 – Laser à argon ionisé
2.1.2 – Diodes laser émettant autour dans le bleu
2.1.3 – Matériaux ayant une raie d’émission vers 488 nm
2.1.4 – Upconversion dans les matériaux dopés par des ions terres rares
2.2 Sources émettant autour de 488 nm basées sur des conversions non linéaires
2.2.1 – Somme de fréquence dans un cristal non linéaire
2.2.2 – Doublement de fréquence de lasers à semiconducteurs
2.2.2.1 – Doublement de fréquence de diodes laser à émission par la tranche
2.2.2.2 – Doublement de fréquence de lasers à cavité verticale émettant par la surface
2.2.3 – Doublement de fréquence de sources basées sur les matériaux dopés par des ions terres rares
2.3 Récapitulatif des sources émettant autour de 488 nm
3 – Conclusion
CHAPITRE II ETUDE THEORIQUE DE L’EMISSION A 976 NM DANS DES FIBRES MONOMODES DOPEES PAR DES IONS YTTERBIUM ET VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODELE
Introduction
1 – Introduction à la simulation des fibres dopées à l’ytterbium
1.1 Rappels sur la propagation des faisceaux dans les fibres dopées
1.2 Description du modèle de la propagation des faisceaux dans la fibre dopée sans prise en compte des émissions spontanées amplifiées à 976 et 1030 nm
1.2.1 – Equations des populations
1.2.2 – Equations de propagation des faisceaux
1.2.3 – Expressions analytiques déduites de ce modèle
1.2.4 – Données expérimentales utiles pour les simulations
1.3 Description du modèle en prenant en compte l’émission spontanée amplifiée
1.3.1 – Spectre expérimental de l’ASE
1.3.2 – Prise en compte de l’ASE à 976 nm dans la modélisation
2 – Etude d’une source d’émission spontanée amplifiée
2.1 Ajustement des paramètres de la simulation de l’ASE à 976 nm
2.2 Influence d’une réflexion parasite
2.3 Optimisation de la longueur de la fibre
2.4 Comparaison du modèle avec un logiciel commercial
2.4.1 – Simulation de l’efficacité de la source d’ASE
2.4.2 – Influence de la longueur de la fibre
2.5 Influence du dopage de la fibre pour une source d’ASE à 976 nm
3 – Simulation de l’amplificateur
3.1 Deux régimes d’amplification
3.1.1 – Régime d’extraction de la puissance (forte puissance moyenne injectée)
3.1.2 – Régime d’amplification (faible puissance moyenne injectée)
3.2 Choix de la configuration de pompage
3.2.1 – Evolution du gain et du rapport « signal à bruit » avec la configuration de pompage
3.2.2 – Détermination de la longueur optimale de la fibre
3.2.3 – Discussion relative à la configuration de pompage
4 – Conclusion
CONCLUSION
Télécharger le rapport complet
