Soutenance mémoire
État de l’art des sources lasers impulsionnelles émettant dans le bleu et l’UV profond
Sources lasers bleues
Sources lasers en régime continu
Depuis la démonstration du premier laser à Argon ionisé par Bridges et al. [1], les sources lasers continues émettant dans le domaine bleu (400-490 nm) se sont considérablement développées. L’état de l’art de ces sources a déjà été réalisé dans le cadre de la thèse de Célia Bartolacci au sein de notre équipe de recherche [2]. Après un bref rappel, nous nous concentrerons donc exclusivement sur les développements de sources lasers impulsionnelles qui constituent l’essentiel des recherches menées durant ces nouveaux travaux de thèse. De nombreuses applications, notamment en vélocimétrie laser Doppler, en imagerie et détection sous-marine, en stockage de données sur support optique et en holographie ont favorisé l’étude et l’intérêt des sources lasers continues émettant dans le domaine spectral bleu. Parmi ces sources, on peut citer les lasers à gaz comme le laser Hélium-Cadmium [3] qui possède une raie d’émission à 442 nm mais aussi le laser à Argon ionisé [1] avec plusieurs raies d’émission entre 454 et 529 nm utilisées dans des systèmes commerciaux [4], [5]. Cependant, ces sources ont un rendement électrique-optique faible, nécessitent un refroidissement actif et une maintenance périodique coûteuse. À partir du milieu des années 1990, les diodes lasers à base de semiconducteur à large gap en nitrure de gallium (GaN) sont également apparues. Ces diodes lasers ont permis le développement des disques optiques Blu-ray à large capacité de stockage [6] grâce à une longueur d’onde plus courte (405 nm) que celles utilisées pour les CD-ROM (780 nm) ou les DVD (635 nm). Malgré la compacité des diodes lasers, les puissances obtenues sont limitées à quelques centaines de milliwatts pour les diodes lasers mono-émetteurs. Au-delà d’une centaine de milliwatts, les diodes sont constituées par une multitude d’émetteurs couplés et la qualité des faisceaux émis est fortement dégradée. Une autre approche pour obtenir une émission laser directe autour de 480 nm repose sur les lasers à solides dopés Thulium ou Praséodyme. En effet, ces ions possèdent des transitions optiques à des longueurs d’onde adaptées (Tm3+ : 1G4 → 3H6 émettant à 480nm [7] et Pr3+ : 3P1 →3H4 émettant à 479 nm [8]). Pour ces transitions en émission depuis un niveau d’énergie élevé, le pompage peut être direct à 440 nm ou par up-conversion en pompant optiquement étape par étape dans le domaine spectral rouge ou infrarouge. Le pompage optique direct du Praséodyme à 440 nm est rendu possible grâce au développement des diodes lasers GaN citées précédemment. La mise en œuvre et l’obtention d’une inversion de population et d’un gain élevé sur ces transitions optiques du Thulium et du Praséodyme nécessitent toutefois l’utilisation de matériaux à basse énergie de phonons comme les cristaux de fluorure (LiYF4 ou YLF par exemple) ou les fibres fluorées ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF). Malheureusement, les matériaux à basse énergie de phonons sont souvent de mauvais conducteurs thermiques, ce qui limite leur refroidissement et donc les puissances en sortie qui peuvent être générées. Ces sources permettent donc d’obtenir des puissances modérées (< 100 mW) en régime continu et ne sont pas toujours adaptées pour le milieu industriel, même si des études ont été menées pour optimiser ces systèmes [9]. Quelques sources sont toutefois commercialement disponibles émettant en régime continu :
• Les lasers à solide monolithiques à doublage de fréquence intracavité commercialisées par exemple par Oxxius (mono-fréquence 405-488 nm ; P < 300 mW) [10] ;
• Les sources OPSL (Optically Pumped Semiconductor Lasers) commercialisées par Coherent (405-488nm ; P < 2 W pour les sources avec un mode TEM00) [4] ;
• Les diodes lasers affinées spectralement doublées en fréquence par cavité externe, commercialisées par exemple par Toptica et Sacher (405-488nm ; P < 1,3 W) [11], [12].
Ces sources présentent tout de même certaines faiblesses. La puissance des OPSL est limitée par le seuil d’endommagement du semi-conducteur. Les sources monolithiques sont compactes mais les puissances ne dépassent pas quelques centaines de mW. Les sources continues dans le domaine spectral bleu ne sont cependant pas un des objectifs de ce travail de thèse. Dans le cadre du projet collaboratif « NeoDUV » financé par l’ANR, l’équipe du LP2N à Talence est en charge de la mise en œuvre d’une source mono-fréquence continue à 461 nm puis à 230,5 nm par doublage et quadruplage de fréquence d’une source émettant dans le proche IR.
Sources lasers en régime impulsionnel
Les sources lasers en régime impulsionnel dans le domaine spectral bleu sont moins répandues que les sources fonctionnant en régime continu. Il existe trois types de sources lasers bleues impulsionnelles :
• Les sources lasers à colorants organiques ;
• Les diodes lasers GaN déclenchées par le gain ;
• Les sources lasers à solide (ou à fibre) basées sur la conversion de fréquence d’une émission infrarouge par des matériaux dopés aux ions de terres rares.
Les lasers à colorants organiques ont été démontrés dès 1966 et fortement étudiés dans les années 1970-1990 [13], [14]. Ils présentent un gain par émission stimulée élevé et une très large bande spectrale, qui ont permis l’essor de lasers accordables de l’UV jusqu’au proche infrarouge. D’autre part, la bande spectrale de gain pouvant atteindre plusieurs dizaines de nm, ces lasers ont également été privilégiés pour la génération d’impulsions ultra-courtes jusqu’à l’avènement des lasers Ti : Saphir. En 1978, Eckstein et al. développent une source laser à colorant (stilbène) accordable entre 420 et 470 nm avec des impulsions picosecondes et une puissance moyenne de 20 mW [15]. Le pompage optique synchrone était réalisé par un laser Argon émettant en régime de blocage de modes actif dans l’UV autour de 350 nm. Une circulation continue de la solution de Stilbène 3 était nécessaire afin d’assurer un refroidissement et une homogénéité du colorant mais surtout pour laisser le temps à la molécule de quitter un état métastable l’empêchant de participer à l’amplification. La complexité et l’encombrement évident du montage ainsi que la fragilité des molécules organiques avec des effets de photo-dégradation au cours du temps ont depuis rendu ces systèmes obsolètes.
Les diodes lasers à semi-conducteur GaN (Nitrure de Gallium), mentionnées au paragraphe précédent, peuvent également émettre en régime impulsionnel. En utilisant un pompage électrique en courant modulé au cours du temps, il est possible de moduler le gain de la diode laser afin de produire des impulsions lumineuses en sortie. On parle alors de fonctionnement en régime de commutation de gain (« Gain-switch »). Grâce au signal de commande électrique, la fréquence de répétition des impulsions lumineuses générées peut alors être ajustée du kilohertz jusqu’au mégahertz de façon parfaitement synchronisée. La durée des impulsions obtenues varie typiquement d’une dizaine de picosecondes à une dizaine de nanosecondes en fonction de la configuration de la cavité résonante de la diode laser et des propriétés électriques (en particulier de l’inductance) du boitier de conditionnement. Kono et al. [16] ont par exemple fait fonctionner une diode laser InGaN déclenchée par des impulsions électriques nanosecondes émettant des impulsions de 10 ps avec 12 W de puissance crête à 405 nm et un taux de répétition de 100 kHz, correspondant à une puissance moyenne de 12 µW. Bien que les diodes lasers GaN soient relativement compactes et produisent des impulsions courtes, les puissances crêtes pouvant être générées ne dépassent pas la dizaine de watt pour des faisceaux monomodes transverses. Cette limitation est liée au risque d’endommagement du semi-conducteur sur les facettes de sortie de la diode laser. Les largeurs spectrales et les durées temporelles des impulsions restent également souvent instables dans ce mode de fonctionnement.
Le manque de sources lasers émettant directement de fortes puissances moyennes (P > 5W) dans le domaine bleu nous amène à une dernière approche reposant sur une émission indirecte par conversion non linéaire de fréquence à partir d’une source laser fonctionnant de façon efficace dans le proche infrarouge. Il s’agit en fait de l’approche la plus étudiée actuellement car elle permet de générer des puissances crêtes très élevées. Dans le domaine des lasers à fibre, la génération d’impulsions de haute énergie dans le proche infrarouge a été démontrée notamment avec les lasers à fibre en silice dopée Ytterbium, émettant à 1064nm. Ces sources lasers à fibre compactes se sont en effet rapidement imposées en raison de leur émission caractérisée par une forte puissance et une très bonne qualité de faisceau. En focalisant l’émission infrarouge dans un cristal non linéaire, il est possible de générer une onde lumineuse avec une fréquence doublée par rapport au rayonnement infrarouge incident. Dans le cas de l’Ytterbium, des sources lasers par doublage de fréquence ont ainsi été développées dans le bleuvert entre 490 et 530 nm avec des puissances crêtes relativement élevées. Dupriez et al. [17] ont ainsi obtenu 80 W de puissance moyenne à 530 nm par doublage de fréquence dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5 – LBO) d’une longueur de 15 mm à partir d’un laser à fibre dopée Ytterbium fournissant une puissance moyenne de 176 W à 1060 nm (impulsions d’une durée de 80 ps à une fréquence de répétition de 120 MHz). Plus récemment, une source Ytterbium entièrement fibrée a permis de produire 30 W de puissance moyenne à 532 nm à partir de 73 W à 1064 nm avec des impulsions de 16 ps [18]. Cependant, pour émettre dans le bleu « pur » à des longueurs d’onde inférieur à 480 nm, il est nécessaire de convertir par doublage de fréquence une source infrarouge émettant à une longueur d’onde fondamentale inférieure à 960 nm. La majorité des sources lasers de forte puissance émettant à ces courtes longueurs d’onde sont des lasers à solide employant des monocristaux dopés néodyme :
• Cristal de grenat d’Yttrium-aluminium (Nd :YAG) pour une émission à 946 nm ;
• Cristaux de vanadate d’yttrium (Nd :YVO4) ou de vanadate de gadolinium (Nd : GdVO4) émettant autour de 914 nm.
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Table des matières
Introduction générale
I. Sources lasers impulsionnelles autour de 900 nm pour conversion de fréquence dans le bleu et l’UV – Contexte et généralités
I.1 État de l’art des sources lasers impulsionnelles émettant dans le bleu et l’UV profond
I.1.1 Sources lasers bleues
I.1.1.1. Sources lasers en régime continu
I.1.1.2. Sources lasers en régime impulsionnel
I.1.1.3. Sources DUV
I.1.2 Choix de la source laser émettant à < 940 nm
I.2 Amplification autour de 915 nm dans les fibres dopées Nd
I.2.1 Fibre optique
I.2.2 Fibres dopées et amplificateurs à fibres
I.2.2.1. Fibres dopées
I.2.2.2. Fibres double gaine
I.2.2.3. Fibres à maintien de polarisation
I.2.3 L’ion Nd3+
I.2.3.1. Propriétés spectroscopiques et sections efficaces dans la silice
I.2.3.2. Compétition et clustering
I.2.4 Solutions pour optimiser l’émission de la transition à 3 niveaux
I.2.4.1. Fibre pompée cœur
I.2.4.2. Fibre double gaine à profil d’indice en W
I.2.4.3. Fibre PCF et PBGF
I.3 Effets linéaires
I.3.1 Pertes dans les fibres
I.3.2 Dispersion chromatique
I.4 Effets non linéaires
I.4.1 Effet Kerr (SPM, FWM, Self-steepening)
I.4.2 Diffusion inélastique
I.4.2.1. Diffusion Raman
I.4.2.2. Diffusion Brillouin
I.4.3 Modélisation de la propagation d’impulsions courtes dans les fibres
I.4.3.1. Équation de Schrödinger NL simplifiée
I.4.3.2. Méthode split step Fourier
Conclusion
Bibliographie du chapitre I
II. Fibres optiques dopées néodyme pour une émission laser de forte puissance autour de 910 nm
II.1 Intérêts et optimisations des fibres LMA-PM dopées Nd3+
II.2 Fabrication des fibres optiques dopées Nd
II.2.1 MCVD
II.2.2 SPCVD
II.2.3 Choix de la composition du cœur
II.2.4 Barreaux de contraintes des fibres PM
II.2.5 Liste des fibres LMA dopées Nd3+ produites
II.3 Caractérisation des fibres LMA
II.3.1 Études des pertes par courbures
II.3.2 Montages expérimentaux pour l’évaluation de l’efficacité de conversion
II.3.3 Fibres optiques avec rapport gaine/cœur de 4 pour puissance modérée (série 1)
II.3.3.1. Fibre PM 20/80 µm
II.3.3.2. Comparaison des géométries 15/60µm, 17/70µm, 20/80µm
II.3.4 Rapport gaine/cœur de 5 et 6 pour amplificateur intermédiaire (série 2)
II.3.4.1. Test en régime laser continu
II.3.4.2. Efficacité d’amplification
II.3.4.3. Saturation du gain en simple passage
II.3.5 Fibre 30/125 µm pour très forte puissance (série 3)
II.3.6 Avancées sur l’émission forte puissance en cavité laser continu
Conclusion
Bibliographie du chapitre II
III. Développement de sources lasers nanosecondes et sub-nanosecondes de forte puissance autour de 910 nm
III.1 Stratégies pour une émission laser impulsionnelle autour de 900 nm
III.2 Laser impulsionnel Q-Switch et amplification en régime nanoseconde
III.2.1 Principe du fonctionnement déclenché (Q-switch)
III.2.2 Oscillateur laser à fibre LMA Nd3+ en régime Q-switch
III.2.2.1. Test de la fibre n°10 non PM 30/125µm en régime Q-switch
III.2.2.2. Test de la fibre n°5 PM 20/80 en régime Q-switch
III.2.3 Amplification dans la fibre LMA n° 14
III.2.3.1. Caractéristiques de sortie de l’amplificateur en simple passage
III.2.3.2. Injection de l’amplificateur et qualité modale en sortie
III.2.4 Limites du système
III.3 Diode laser en régime impulsionnel sub-nanoseconde avec commutation par le gain et cascade d’amplificateurs
III.3.1 Impulsions lumineuses à 915nm générées par commutation d’une DL
III.3.1.1. Caractéristiques de la diode laser Axcel Photonics
III.3.1.2. Caractéristiques de la diode laser Lumics
III.3.2 Amplificateurs de faible puissance sur fibre en W
III.3.2.1. Pré amplification et filtrage de l’ASE
III.3.2.2. Deuxième étage d’amplification sur fibre en W
III.3.3 Amplification double passage sur fibre LMA n° 14
III.3.3.1. Montage expérimental
III.3.4 Amplificateur de puissance sur fibre LMA n° 14
III.3.4.1. Montage expérimental
III.3.4.2. Résultats expérimentaux
III.3.4.3. Qualité modale
Conclusion
Bibliographie du chapitre III
Conclusion générale
