Soutenance mémoire
Ces dernières années, le marché des lasers à fibres a connu un essor impressionnant dans de nombreux domaines. Développés initialement par le secteur des télécommunications optiques, à base de fibres dopées erbium, les lasers à fibres essaiment aujourd’hui dans de nombreux autres secteurs tant industriels (marquage, découpe, soudure,. . .), que civils ou de défense (communications en espace libre, mesures à distance). Diverses ruptures technologiques sont à l’origine de ce développement spectaculaire. L’amélioration importante des performances des diodes de pompage tout d’abord, en terme de puissance accessible, de fiabilité et de durée de vie. Mais aussi la souplesse acquise dans la conception des fibres optiques, avec la disponibilité d’une grande variété de dopants et de géométrie même de la fibre. C’est l’innovation sur ce dernier point qui confère enfin aux fibres actuelles tout leur potentiel, principalement grâce à l’utilisation de fibres à double gaine qui permet d’accéder à des puissances battant régulièrement de nouveaux records. Les particularités de la propagation guidée confèrent par ailleurs des avantages importants aux lasers à fibres par rapports aux autres lasers solides : efficacité, bonne qualité de faisceau, gestion simplifiée de la thermique et une grande compacité.
Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire se sont inscrits dans une application des lasers à fibres dans le domaine du LIDAR (LIght Detection And Ranging) cohérent, ceci dans le cadre du projet européen FIDELIO (FIber laser Development for nExt generation LIdar Onboard detection system). Le but est de répondre à un besoin de détection et de mesure des tourbillons de sillage en bout d’aile d’avion (figure 1), mesure particulièrement intéressante en phase de décollage et d’atterrissage. Si l’objet visé par le faisceau de longueur d’onde λ est animé d’une vitesse v dans la direction incidente, une faible partie du faisceau est rétro-diffusée et décalée en fréquence de ∆ν = −2v/λ. Après collection de ces photons rétro-diffusés, la détection se fait par mélange hétérodyne avec un oscillateur local. De plus, l’utilisation d’une source impulsionnelle permet la mesure de la distance de la cible par la mesure du temps de vol. Pour cette application précise, les sources fibrées sont particulièrement attractives en raison de leur faible encombrement (embarquabilité) et leur bonne efficacité (faible consommation énergétique). Les caractéristiques visées pour une telle source laser sont typiquement les suivantes :
– Une longueur d’onde de 1,5 µm pour un faisceau à sécurité oculaire.
– Une largeur spectrale de l’ordre de ∆ν = 1 MHz pour obtenir une fidélité en vitesse de 1 m.s−1
– Une durée d’impulsion τp assez courte pour permettre la localisation précise (par mesure du temps de vol) dans un volume de largeur cτp. Néanmoins, la largeur spectrale doit, comme on vient de le noter, rester compatible de la résolution vitesse recherchée. Il convient donc d’obtenir des impulsions limitées par transformée de Fourier pour lesquelles la largeur est minimale (∆ντp = constante). Pour une largeur de 1 MHz, la durée d’impulsion doit être comprise entre 500 ns et 1 µs.
– Sur une cible diffuse, la portée du système est proportionnelle à l’énergie des impulsions. Celle-ci doit alors être dans la gamme du mJ pour atteindre les portées nécessaires de quelques km.
– Enfin, un taux de répétition de plusieurs kHz permet l’augmentation du rapport signal à bruit de détection grâce à la possible sommation du signal issu de plusieurs impulsions.
Description des sources laser fibrées
Architectures, propriétés de base
Le composant de base d’un laser ou d’un amplificateur à fibre est évidemment la fibre dopée . Afin de permettre l’amplification optique, le cœur de la fibre est dopé avec des ions des terres rares. Ces ions sont portés en inversion de population par pompage optique. Comme nous le verrons, ce sont là deux points clés des lasers à fibre : le signal se propage dans le cœur de sorte que la qualité spatiale du faisceau dépend uniquement du guidage et très peu de la puissance de sortie du laser ; le second étant la géométrie de pompage dont l’optimisation a permis l’augmentation de l’efficacité de ces sources. Le domaine des télécommunications optiques a très vite étudié la fibre dopée pour la réalisation d’amplificateurs. La maîtrise des procédés de fabrication de fibres monomodes de bonne qualité (dopées comme non dopées) par MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), et l’arrivée sur le marché de diodes laser fiables et de plus en plus puissantes (dans la gamme de quelques watts) a par exemple permis la mise au point d’amplificateurs à fibre dopé erbium (EDFA) pour les systèmes de transmission longue distance. Pour obtenir un laser à fibre, il suffit de placer l’amplificateur à fibre dopée dans une cavité, par exemple entre deux miroirs . Ces miroirs peuvent être de types très variés. Les plus simples étant les faces clivées ou polies de la fibre elle-même : les réflexions aux interfaces air-verre étant suffisantes pour obtenir l’effet laser dans une fibre du fait du grand gain disponible. Nous pouvons également citer les miroirs de Bragg qui sont très utilisés et permettent une sélectivité spectrale plus fine et la réalisation de lasers monomodes longitudinaux. Le laser à fibre présente alors des avantages très intéressants par rapport aux lasers solides :
– gain important : l’éclairement de la pompe est élevé sur toute la longueur de la fibre, d’où une forte inversion de population ;
– grande efficacité et seuil bas : le guidage conjoint du signal et de la pompe favorise tout d’abord l’absorption de la pompe sur de grandes longueurs et assure un bon recouvrement spatial entre gain et signal. Le rendement des fibres dopées ytterbium peut par exemple atteindre 85% ;
– bonne qualité de faisceau : les caractéristiques transverses sont déterminées par le profil d’indice et le diamètre de la partie active du guide d’onde, et sont donc indépendantes du pompage ;
– grande robustesse grâce à l’auto-alignement de la cavité ;
– compacité et forte intégrabilité grâce à la compatibilité avec de nombreux composants fibrés que l’on peut souder les uns aux autres ;
– nombreuses possibilité dans la conception des fibres, permettant le contrôle de diverses propriétés optique (dispersion, polarisation,. . .) ;
– réduction des effets thermiques : le grand rapport entre la surface extérieure et le volume actif (2/R, avec R le rayon du cœur de la fibre) permet une meilleure dissipation de la chaleur et une réduction notable des effets de lentille thermique dans le milieu à gain ;
– déport des sources de chaleur et des alimentations électriques grâce à l’utilisation de diodes de pompes fibrées ;
– dopages de la silice par les ions des terres rares, tout comme les lasers solides, ouvrant des gammes spectrales variées dans le proche et moyen infrarouge ; les dopants les plus usuels étant les suivants : néodymes et ytterbium (1 µm), erbium et erbiumytterbium (1,5 µm), thulium et holmium (autour de 2 µm).
Limitations à la montée en puissance
Les diverses propriétés que nous venons de mentionner font des fibres dopées aux terres rares des sources très performantes et attractives. Néanmoins, le fort confinement du rayonnement laser dans le cœur, qui est pourtant la raison de bien des avantages, ainsi que la grande longueur d’interaction entraînent des limitations certaines à l’augmentation de la puissance ou de l’énergie de sortie. Du fait de la faible surface effective du faisceau (environ 85 µm² pour une fibre monomode à 1,5 µm), la densité de puissance/énergie se propageant dans la fibre devient rapidement très importante. La conséquence directe est l’exaltation des effets non linéaires, principale limitation de le fibre en terme de transport et d’extraction de puissance, ainsi que des problèmes de tenue au flux laser du verre. Nous détaillons ici brièvement ces limitations ainsi que les solutions communément apportées pour les contourner.
Tenue au flux
Par rapport à d’autre, la silice fondue est un matériau résistant bien au flux laser de façon générale ; Sa rupture ayant lieu pour une densité de puissance de l’ordre de 10 GW/cm² . Cependant, la très faible section du faisceau dans le cœur fait que cette limite peut être atteinte : par exemple, un cœur de 100 µm² supportera jusqu’à 10 kW. Si cette limite est haute pour une fibre monomode en régime continu, elle l’est beaucoup moins en régime d’impulsions nanosecondes et inférieures. De plus, le dopage du verre par les terres rares ou d’autres dopants a tendance à faire diminuer cette limite aux alentours de 2 GW/cm² . Également, dans le cas d’une propagation multimode il est possible d’atteindre des surintensités locales (au centre ou ailleurs dans le cœur) qui dépassent la limite de claquage du matériau et endommage la fibre. Concernant les dommages aux interfaces air-verre (faces de la fibre), il est tout de même possible de contourner le problème par l’utilisation d’un fenêtrage de la fibre (ou end cap en anglais) : un barreau de verre est soudé à l’extrémité, de sorte que le faisceau quitte la fibre en n’étant plus guidé et s’élargit progressivement sans rencontrer d’interface. Un fenêtrage de quelques millimètres peut être suffisant pour obtenir un diamètre de faisceau tel qu’il n’y ait aucun risque de rupture du verre.
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Table des matières
Introduction
1 Lasers à fibre et remise en forme de faisceau : généralités
1.1 Lasers et amplificateurs à fibre
1.2 État de l’art des lasers à fibre
1.3 Remise en forme de faisceau
2 Remise en forme spatiale par diffusion Brillouin stimulée : étude théorique et simulations numériques
2.1 Physique de l’effet Brillouin
2.2 Effet Brillouin dans une fibre multimode
2.3 Dynamique de l’effet Brillouin
2.4 Interaction pompe-sonde : mélange à deux ondes
3 Chaîne laser MOPA à fibre multimode co-dopée Er :Yb
3.1 Description de l’architecture MOPA
3.2 Mise au point expérimentale
4 Étude expérimentale du nettoyage de faisceau par diffusion Brillouin stimulée
4.1 Générateur Brillouin
4.2 Amplificateur Brillouin
4.3 Recyclage de la polarisation de la pompe
Conclusion générale
Annexes
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