EP2335330A1 - Dispositif laser a fibre de forte puissance moyenne - Google Patents

Dispositif laser a fibre de forte puissance moyenne

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EP2335330A1
EP2335330A1 EP09736437A EP09736437A EP2335330A1 EP 2335330 A1 EP2335330 A1 EP 2335330A1 EP 09736437 A EP09736437 A EP 09736437A EP 09736437 A EP09736437 A EP 09736437A EP 2335330 A1 EP2335330 A1 EP 2335330A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
laser device
pump
laser
core
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09736437A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Johan Boullet
François Salin
Eric Cormier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094015—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre with pump light recycling, i.e. with reinjection of the unused pump light back into the fiber, e.g. by reflectors or circulators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02366—Single ring of structures, e.g. "air clad"
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes
    • H01S3/08045—Single-mode emission
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    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Definitions

  • the invention relates to an optical fiber laser device delivering a transverse monomode beam of high average power.
  • the field of the invention is that of high power fiber lasers emitting in the spectral band 970 nm-985 nm.
  • the necessary pump power must be as high as possible and the beam must remain at the diffraction limit (that is to say simultaneously present a high power, and a high brightness).
  • This harmonic wavelength in blue, about 488 nm is advantageously used in the fields of biology, surgery or medicine.
  • the laser sources at substantially 488 nm are generally gas lasers operating with Argon. These sources sometimes include two lines at wavelengths of 514.5 nm and 488 nm.
  • Laser sources with two lines at substantially 514.5 nm and 488 nm are produced in a gaseous medium, because there is no solid-state laser medium emitting directly at these wavelengths.
  • these laser sources at substantially 488 nm should preferably have an excellent spatial quality in order to focus the beam on as small a volume as possible.
  • These laser diodes are preferably related to transverse single-mode laser diodes (low power) and / or laser diodes of power (multimode).
  • the choice of these laser diodes can only be a compromise between power and beam quality, which is an undeniable disadvantage in situations where a high power density is required.
  • the transverse monomode laser diodes deliver a power limited to a few hundred milliwatts, while the power laser diodes, emitting several watts, have a highly multimode beam, that is to say of low spatial quality. .
  • a solution to increase the power is then to use a laser diode with a funnel structure that provides higher power, but with larger spectral widths of the order of 4 to 5 nm .
  • the maximum power that such a laser can deliver is limited to about 10 W.
  • laser architectures whose amplifying medium is a material doped with Yb ions used to produce laser sources substantially at 976 nm
  • These laser architectures include optical pumping devices emitting the 910nm-940nm band
  • Solutions based on materials doped with rare earth ions use either crystals or optical fibers in which the doping ions are incorporated.
  • the fiber solution has the advantage of being with a fully fiberized solution and therefore compact, ultrastable and reliable.
  • the solution provided by the solid-state doped solid-donor amplifying media at substantially 976 nm makes it possible to carry out an opto-optical conversion between the power supplied by the pump and the power delivered by the laser that can go up to 80%.
  • the emission of a solid amplifying medium (crystal or silica) doped with ytterbium ions at substantially the laser wavelength of 977 nm implies strong constraints on the geometry of the amplifier (transverse section and length amplifier medium), pump beam and pumping level.
  • the pumping intensity must exceed a limit value, called transparency intensity ( ⁇ 30kW / cm 2 ) for silica doped with ytterbium ions when pumped to substantially 915nm and that it is desired to emit at substantially 977 nm ) necessary to perform the optical amplification.
  • the amplifying medium is a crystal doped with ytterbium ions
  • the necessary pump intensity is obtained by strongly focusing the pump laser, the useful crystal length being limited by the Rayleigh zone of the pump beam.
  • the pump source must be chosen sufficiently bright to ensure transparency over the entire length of the crystal.
  • the solution provided by the doped optical fiber lifts this constraint along the Rayleigh length, since the pump beam is guided by the fiber, which makes it possible to obtain high pumping intensities over long fiber lengths.
  • this pumping technique requires the use of semiconductor laser diodes (or any other laser source) in the band 910 nm - 940 nm limited by diffraction and therefore low power ( ⁇ 1W).
  • Another solution consists in guiding a more powerful multi-mode pump in a concentric guiding sheath with a doped core, called a pumping sheath. The latter, however, must have a limited section to ensure at all points of the fiber the local pump intensity condition greater than the intensity of transparency.
  • the lengths of fiber necessary to absorb the pump wave injected are typically several meters, or even tens of meters.
  • the laser line of a wavelength in the band 1010 nm - 1100 nm, for which these fibers are usually used has a gain much greater than that of the a line around which it is desired to obtain a laser radiation of substantially 977 nm.
  • the study of the influence of this parasite gain and the resulting limitations are given in the publication [J.Nilsson, JDMinelly, R.Paschotta, AC Tropper, and AC Hanna, "Ring doped cladding pumped single-mode. level fiber laser ", Opt. Lett. 23, 355 (1998)].
  • the invention aims to remedy the problems related to the technical difficulties encountered in the generation of laser sources of a fundamental wavelength in the infrared at a wavelength of substantially 977 nm at the output of a system laser whose amplifying medium is an optical fiber doped with rare earth ions.
  • This laser is compact, low cost, high power.
  • the invention proposes to improve the high power fiber laser devices by the use of a doped fiber whose core diameter is greatly increased compared to the standard monomode fiber diameters and which is capable of providing a monomode optical guidance of the laser wave so as to increase the power of the laser beam.
  • the subject of the invention is a fiber laser device emitting transverse single-mode radiation controlled at a given wavelength comprising:
  • At least one laser diode able to emit a pump wave
  • said amplifying optical fiber comprising a core of an included diameter; between 12 ⁇ m and 200 ⁇ m and a pump sheath, the fiber being doped with a rare earth dopant
  • said device comprises:
  • a resonator able to reinject a laser beam at the given wavelength at the two ends of said section
  • said resonator comprising selective intra-cavity wavelength elements adapted to cooperate with the injection means so as to filter on the given wavelength and also to reinject into the fiber the unabsorbed pump wave after a passage in the fiber.
  • the cooperation of the selective means with the injection means makes it possible to inflict losses in the spectral band of the parasitic radiation 1010 nm-1100 nm.
  • the coupling means comprise two lenses, said lenses being chosen from at least one of the following lenses: microlens, cylindrical, elliptical, hyperbolic lenses, or aspherical capacitors;
  • the coupling means refer to a coupler comprising N input multimode fibers that can be soldered directly to the fiber-optic outputs of N pump diodes and an output fiber with or without a guiding core supporting propagation of a mode. substantially identical to that of the amplifying fiber, capable of being directly soldered to the broad-core amplifying fiber.
  • the coupling means relate to a wide mode optical fiber whose transverse section is progressively thinned so as to adopt a funnel structure.
  • the broad-mode fiber has one end having the same diameter as the fiber delivering the pump wave and the other end having the diameter of the sheath of the amplifying fiber so that said funnel is welded at one end to the fiber delivering the pump beam and at the other end is soldered to the broad mode fiber.
  • the selective elements relate to an element chosen from at least one of the following elements: a dichroic mirror, an absorbing or interferometric filter, a curvature of the amplifying fiber, a doping element added in the constitution of the core of the fiber amplifier, an external solid network, a prism, a Bragg grating photoinscribed in the core of the amplifying fiber or a Bragg grating external to the amplifying fiber; ]
  • the fiber is a broad modal area fiber or an LMA fiber
  • the diameter of the pump sheath is between 50 and 800 ⁇ m; -
  • the heart has a diameter greater than 12 ⁇ m
  • the fiber is doped with an element chosen from at least one of the following elements: ytterbium ions, germanium, phosphorus, boron or fluorine;
  • the fiber is capable of emitting a beam at the diffraction limit at the output of the core
  • the fiber is intrinsically polarization-maintaining or maintained in a fixed position
  • the broad-mode fiber is a micro-structured silica air fiber
  • the fiber is rigid because it is held in a pure silica rod with an external diameter greater than 1 mm ("rod-type fiber” fiber technology) -
  • the fiber is flexible.
  • the sheath of the fiber is a waveguide, adapted to perform the guiding of the pump wave, formed by a ring of air holes, called air duct, having a numerical aperture greater than 0.5;
  • the guidance of the wave at the wavelength of substantially 977 nm is achieved by an array of air holes parallel to the optical axis surrounding the doped core;
  • the fiber appatient to the family of micro-structured air-silica fibers.
  • the given wavelength is in the infrared
  • the amplifying fiber is of a reduced length so that the laser gain of the parasitic radiation in the 1010 nm-1100 nm band remains below 60 dB;
  • the laser diode delivers powers of 10 to 1000 W.
  • the pump wave is coupled to a multimode fiber having a diameter of between 50 ⁇ m and 800 ⁇ m.
  • FIG. 1 illustrates a representation of the device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents the section of an optical fiber according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3A illustrates the absorption and emission spectra of ytterbium ions when they are inserted in a silica matrix, which is the case in an optical fiber;
  • FIG. 3B illustrates the energy levels of the ytterbium ions;
  • FIG. 4 represents the power of the high power fiber laser at three energy levels as a function of the pump power
  • FIG. 5A and 5B represents the output spectrum of the laser, according to one embodiment of the invention.
  • the device 1 comprises:
  • a resonator including wavelength selective elements 5,13 including wavelength selective elements 5,13.
  • the lens 10 having a numerical aperture of 0.5 and a focal length of 8 mm and the dichroic mirror 9 is totally reflective at the pumping wavelength at about 915 nm.
  • the means for coupling the pump wave in the sheath of the doped fiber comprise two respective focal length lenses 18 mm and 8 mm 14 and 15. and a transparent dichroic mirror at the pump wavelength and reflecting at the laser wavelength 13.
  • the selective optics relate to two dichroic mirrors 11 and 12.
  • the optical fiber 6 is a photonic crystal fiber also called in English "rod-type photonic crystal fibers". This fiber is of reduced length which does not exceed 1.23 m.
  • Photonic fibers are not, like conventional fibers, entirely made of a transparent solid material such as doped silica; in section, a photonic fiber has a network of air holes.
  • holes are parallel to the axis of the fiber, and extend longitudinally along the fiber. Practically, these holes can be obtained by manufacturing the preform by assembling capillary tubes or silica cylinders, respecting the pattern of the holes to be obtained in the fiber. Stretching such a preform provides a fiber with holes corresponding to the capillary tubes.
  • This fiber 6 is a constituent element of the device 1 which allows to implement a high power fiber laser at three energy levels.
  • This type of fiber laser is more compact, more stable and does not need a cooling mode compared to semiconductor technologies. It also has a better beam quality, the beam quality being imposed by the guiding properties of the fiber, so it has a better resolution for marking applications.
  • This optical fiber is doped with a rare earth ion which is in this embodiment mainly ytterbium.
  • Ytterbium belongs to the category of rare earth ions or metal ions which are commonly used to make laser sources. Of all the ions that can be used, only these ytterbium ions, which are part of the rare earth ions, have a transition towards 976 nm.
  • this ratio is between 5 and 100.
  • Figure 3A illustrates the absorption and emission spectra of Yb ions
  • FIG. 3A illustrates, in particular, that the absorption cross section of Tytterbium in the glasses is much larger than the emission cross section.
  • the transmitting cross sections towards 976 nm and the absorption cross sections around 915 nm are higher or lower.
  • an absorption band of about ten nanometers wide at mid-height around 915 nm diode pumping can be envisaged. Nevertheless, this strong emission around 976 nm is accompanied by an equally intense absorption.
  • the emission takes place between the lowest sub-level of the F5 / 2 byte and the sub-level
  • the material doped with ytterbium ions absorbs any radiation around 976 nm in the absence of pumping.
  • the pumping of the material will have to be intense enough to carry out the transparency population inversion at the laser wavelength 976 nm in the doped medium.
  • the pumping intensity around 915 nm is sufficient to achieve transparency of the doped medium to 976 nm. This intensity, corresponding to the cancellation of the absorption at the 976 nm laser wavelength in the material, is called the transparency intensity.
  • this silica fiber doped with Yb ions makes it possible to confine the pump in the doped medium, and to easily reach the intensity of transparency along the length of this doped medium.
  • This fiber thus guarantees a strong interaction of the pump beam with the doping ion, over a great length thanks to the confinement of the light in the pumping sheath of the fiber.
  • This ytterbium-doped fiber used for this transition is a transverse monomode fiber having record dimensions (diameter of 80 ⁇ m) for a single-mode fiber.
  • Such extreme dimensions of the doped core are made possible by the network of very small air holes (smaller than
  • the substantially 977 nm signal propagates in the 80 ⁇ m diameter doped core and the substantially 915 nm pump propagates inside the 200 ⁇ m diameter optical cladding with a large numerical aperture greater than 0.7.
  • This sheath is defined by a microstructure filled with air (illustrated in Figure 2, item 18). This microstructure has holes much larger than those defining the core (> 2 ⁇ m) in a pattern that preserves the symmetry of the fiber around its longitudinal axis.
  • the dimensions of the holes respectively defining the core and the sheath of the fiber can be adjusted according to the desired guiding characteristics: core diameter, numerical aperture of the sheath or core.
  • this fiber has a pump absorption of 10 dB / m at 915 nm.
  • the laser diode 2 emits radiation at a wavelength of between 910 and 940 nm.
  • the pump laser diode used delivers powers of 10W to 1000W
  • the pump beam can be delivered directly in free space, or be coupled to a multimode fiber having diameters of 50 to 800 ⁇ m.
  • the light from the pump diode is coupled to a transport fiber and then injected into the amplifying fiber 6 through optical means 4.
  • These coupling means 4 comprise in this particular configuration two lenses 14 and 15.
  • the optical means 4 are designed to couple the light from the transport fiber into the laser fiber.
  • these optical means have a magnification which allows the image of the core of the transport fiber of the pump at the laser diode output to have a dimension substantially equal to or smaller than the diameter of the pump sheath of the laser fiber 6.
  • these optical means 4 have a numerical aperture equal to or greater than the product ON, / G where G is the magnification of the optical system 4 and ON 1 is the numerical aperture of the transport fiber.
  • the optical means are composed of a pair of two aspherical lenses: a first lens 14 of 18 mm focal length and a second lens of focal length 8 mm.
  • the lens 15 of 8mm 15 has a numerical aperture of 0.5.
  • these two lenses may be microlenses, cylindrical, elliptical, or hyperbolic, or aspherical condensers.
  • the coupling means may be:
  • a coupler comprising N multimode input fibers capable of being welded directly to the fibrated outputs of N pump diodes and an output fiber capable of being directly soldered to the broad-core amplifying fiber.
  • a broad-mode optical fiber whose cross section is gradually thinned so as to adopt a funnel structure.
  • This fiber has one end having the same diameter as the fiber delivering the pump wave and the other end having the diameter of the sheath of the amplifying fiber; [075]
  • the two ends of this "funnel" fiber are then soldered respectively at the output of the transport fiber of the diode 2 and at the input of the fiber Amplifier with a big heart doped 6.
  • the fiber has a geometry that allows a single-mode propagation in the core 19 and multimode in the pump sheath.
  • the ratio between the diameters of the core 19 and the pump sheath is less than 10.
  • the transverse monomode fiber has significant dimensions with a diameter of the doped core 19 of 80 microns.
  • Such dimensions of the doped core are made possible by the network of very small air holes ( ⁇ 100 nm in diameter) decreasing the average index of the cladding and making it possible to obtain a numerical aperture of the heart of the order of 0.01.
  • the substantially 977 nm signal propagates in the 80 ⁇ m diameter doped core 19 and the substantially 915 nm pump propagates inside the 200 ⁇ m diameter optical cladding with a large numerical aperture greater than 0.7.
  • This sheath is defined by a microstructure filled with air 18.
  • This microstructure 18 has holes much larger than those defining the core (> 2 ⁇ m) in a pattern that preserves the symmetry of the fiber around its longitudinal axis.
  • the ratio between the transverse surfaces of the doped core 19 of the fiber 6 and the pump sheath 18 must remain in the range 5-100 and preferably closer to 5.
  • the sheath of the fiber 6 may have a sheath diameter 18 guiding the pump between 50 and 400 ⁇ m.
  • the amplifying fiber has a monomode propagation of the beam in the heart doped at the wavelength of substantially 977 nm.
  • the fiber is inherently polarizing or simply held in a fixed position.
  • the core of the fiber may contain in addition to the rare earth doping ions one or more of the following chemical species: Germanium, Phosphorus, Boron, Fluorine.
  • the doped core of the fiber 18 has a diameter greater than 12 microns. It is therefore a broad modal area fiber or LMA fiber (Large Mode Area).
  • the broad mode fiber can be a micro-structured silica air fiber, rigid or flexible.
  • the length of the fiber 6 is chosen so that the pumping intensity at the fiber exit is greater than the transparency intensity at the fiber outlet and the undesirable gain in the 1010 nm-1100 nm band is maintained. less than 6OdB.
  • the gain at 1030nm is substantially 50 dB.
  • the laser wave is reflected by the mirror 9, totally reflecting at the laser wavelength of substantially 977 nm while the pump wave at substantially 915 nm is not reflected. This residual pump is then incident on a mirror 8 strongly reflecting the pump wavelength of 915 nm in this embodiment.
  • the pump wave then makes a second trip in the laser fiber, which increases the pump's absorption, and increases the population inversion, as well as the efficiency of the laser.
  • this pump recycling means may be a photo-inscribed Bragg grating in the core of the fiber, or a free-space massive Bragg grating, or a prism, or a grating.
  • a dichroic mirror 13 is placed between the two optical means 14 and 15. This dichroic mirror is totally reflective around 977 nm and totally transparent at the pump wavelength.
  • a second mirror 11 totally reflecting around 977 nm is placed on the path of the laser beam to form a resonator with the face of the fiber opposite the pump.
  • the resonator corresponds to mirrors with high reflectivity (HR) or finite reflectivity at the wavelength of substantially 977 nm.
  • the fiber-end reinjection devices may be Bragg gratings photo-inscribed directly into the doped core of the reflective fiber at the wavelength of substantially 977 nm, or undoped fiber sections with Bragg gratings. reflecting the wavelength of substantially 977 nm inscribed in the core, these sections of fibers being welded to the amplifying fiber.
  • the reinjection devices at the ends of the fiber may be massive Bragg gratings.
  • One or more of the elements constituting the resonator may be wavelength selective, i.e. reflective at the wavelength of substantially 977 nm and very low reflectivity in the band (1010 nm - 1100 nm).
  • the set of optical elements 5 comprises the mirror 12 which is totally transparent at the 977 nm laser wavelength and has a reflectivity> 99% in the 1010 nm-1100 nm band, and the cavity background mirror 11 which has a transmission> 99% in the 1010 nm - 1100 nm band.
  • this set inflicts sufficient losses in the 1010 nm - 1100 nm band for the laser to oscillate spontaneously around 977 nm.
  • the means of exerting a wavelength selection relates to:
  • one or more dichroic mirrors able to reflect a signal of a defined wavelength
  • a doping element added in the constitution of the core of the absorbing fiber in the 1010 nm-1100 nm band, or
  • This device 1 thus makes it possible to generate a power laser at around 976 nm making it possible to easily reach powers of the order of several hundred watts, compared to 10W in the state of the art, with a quality of excellent beam.
  • the laser 7 delivered is a transverse single-mode beam 7 around 976 nm which is very powerful.
  • the laser threshold is reached at the pump power value of the diode from 18W to 915nm. At the maximum pump power available at 230W, the laser produces power up to 94 W at 977 nm.
  • the efficiency slope of the laser between the pump power and the laser power is 48%.
  • the quality of the laser beam remains excellent at such power values, and the performance of the device is limited by the available pump power of the diode.
  • FIG. 5A represents the output spectrum of the laser measured at full output power from an optical spectrum analyzer with a resolution of 0.07nm.
  • the laser oscillates spontaneously over a spectral range of 6 nm centered at 977 nm.
  • the parasitic emission at 1030 nm is 35 dB below the maximum laser signal at 977 nm.
  • FIG. 5B represents the output spectrum of the laser as well as the amplified spontaneous spectrum of the emission obtained by suppressing the feedback of the mirror 11.
  • the doped fiber has a core diameter very greatly increased compared to standard monomode fiber diameters (that is to say having cores of diameter ⁇ 12 .mu.m).
  • the diameter of the core is chosen between 12 ⁇ m and
  • the invention implements the use of special optical fibers with large modal area (LMA) index jump or micro-structured, may have record heart diameters> up to 80 ⁇ m currently while providing single-mode optical guidance of the laser wave around 977 nm.
  • LMA large modal area
  • the device according to the invention also makes it possible to obtain a high-power laser at 488 nm since it has an excellent spatial quality making it possible to focus the beam on as small a volume as possible and a power sufficient to obtain efficiencies. important in the nonlinear stage.
  • This device constitutes a solid-state laser medium emitting directly at wavelengths at substantially 488 nm, which has the advantage of being less bulky, more reliable and less expensive than devices using a solid medium emitting between 800. and 1100 nm to which is added a non-linear optical stage for performing frequency mixing or doubling.
  • These devices implement a method of producing radiation at 976 nm or 1029 nm and doubling it in frequency.
  • Such a nonlinear frequency doubling stage imposes strong constraints on the characteristics of the fundamental beam at 976 or 1029 nm.
  • the invention is not limited to the embodiments described and illustrated. It is furthermore not limited to these exemplary embodiments and the variants described.
  • the photonic optical fiber may be doped with rare earth ions or metal ions other than Ytterbium ions.

Abstract

Dispositif (1) laser à fibre émettant un rayonnement monomode transverse contrôlé à une longueur d'onde donnée comprenant : - au moins une diode laser (2) apte à émettre une onde de pompe, et un tronçon de fibre optique (6) amplificatrice gainée présentant deux extrémités, ladite fibre optique (2) amplificatrice comportant un coer et une gaine de pompage, la fibre étant dopée avec un dopant de terre rare, caractérisé en ce que le coer de la fibre est d'un diamètre compris entre 12 µm et 200 µm, et en ce que ledit dispositif (1) comporte : - des moyens de couplage (4 ) de l'onde de pompe dans la gaine de pompage à au moins une extrémité de la fibre, et - un résonateur apte à réinjecter un faisceau laser à la longueur d'onde donnée aux deux extrémités dudit tronçon (6), ledit résonateur comprenant des éléments sélectifs (5, 13) en longueur d'onde intra-cavité aptes à coopérer avec les moyens d'injection (4) de sorte à filtrer sur la longueur d'onde donnée et réinjecter dans la fibre (6) l'onde de pompe non absorbée sur un passage dans la fibre (6).

Description

DISPOSITIF LASER A FIBRE DE FORTE PUISSANCE MOYENNE
[001] L'invention se rapporte à un dispositif laser à fibre optique délivrant un faisceau monomode transverse de forte puissance moyenne.
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[002] Le domaine de l'invention est celui des lasers à fibre haute puissance émettant dans la bande spectrale 970 nm-985 nm.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[003] Dans le domaine des réseaux de télécommunication par fibre optique, il est nécessaire de disposer de sources laser de pompage des amplificateurs dopés aux ions Erbium efficaces et de forte brillance ayant une longueur d'onde infrarouge proche de 976 nm. Cette forte densité de puissance de pompage permet d'envisager l'augmentation du nombre de canaux spectraux amplifiés simultanément et/ou d'augmenter la distance entre deux amplificateurs sur les réseaux longue distance.
[004] Dans ces réseaux de télécommunication, la puissance de pompe nécessaire doit être la plus élevée possible et le faisceau doit rester en limite de diffraction (c'est-à-dire présenter simultanément une forte puissance, et une forte brillance).
[005] Le fait de disposer d'une source laser fondamentale autour de 976 nm de forte brillance et de forte puissance permet, via un étage de conversion de fréquence, de disposer également d'une source harmonique bleue possédant les mêmes caractéristiques (puissante et brillante).
[006] Cette longueur d'onde harmonique dans le bleu, environ 488 nm est avantageusement utilisée dans les domaines de la biologie, de la chirurgie ou de la médecine. [007] Les sources lasers à sensiblement 488 nm sont généralement des lasers à gaz fonctionnant à l'Argon. Ces sources comprennent parfois deux raies situées à des longueurs d'onde de 514,5 nm et 488 nm.
[008] Les sources lasers à deux raies à sensiblement 514,5 nm et 488 nm sont réalisées en milieu gazeux, car il n'existe pas de milieu laser à solide émettant directement à ces longueurs d'onde.
[009] Dans les domaines de la biologie ou de la médecine dans lesquels ils trouvent une application, ces sources lasers à sensiblement 488 nm doivent de préférence avoir une excellente qualité spatiale afin de focaliser le faisceau sur un volume le plus réduit possible.
[010] Une autre application de ces sources lasers à fibre émettant à sensiblement 976 nm est la possibilité de pompage à forte puissance de lasers et d'amplificateurs. Les fortes intensités de pompe susceptibles d'être atteintes permettent de réaliser des oscillateurs ou des amplificateurs courts à milieux amplificateurs cristallins ou fibres dopés aux ions Erbium ou Ytterbium, en régime continu, déclenché, ou d'impulsions ultra-courtes.
[011] Aujourd'hui, cette bande spectrale à sensiblement 976 nm dans l'infrarouge est obtenue à partir de diode laser à semi-conducteurs.
[012] Ces diodes lasers se rapportent, de préférence, à des diodes lasers monomodes transverses (faible puissance) et/ou à des diodes lasers de puissances (multimode).
[013] Le choix de l'utilisation de sources lasers dans la gamme de longueur d'onde infrarouge est justifié par les avantages qu'elles confèrent, en particulier : leur compacité, leur longévité, leur grande efficacité électrique ou leur faible coût de fabrication.
[014] Toutefois, le choix de ces diodes lasers ne peut être qu'un compromis entre puissance et qualité de faisceau, ce qui constitue un inconvénient indéniable dans les situations où une forte densité de puissance est requise. [015] En effet, les diodes laser monomodes transverses délivrent une puissance limitée à quelques centaines de milliwatts, alors que les diodes laser de puissance, émettant plusieurs watts, présentent un faisceau fortement multimode, c'est-à-dire de faible qualité spatiale.
[016] Pour pallier ces limitations, on connaît dans l'art antérieur des sources lasers infrarouges décrites dans la publication « Singlemode emitter array laser bars for high-brightness applications », extraite du document «IEEE 19th
International Semiconductor Laser Conférence Digest, Th A6, pp. 45-6 (2004) », de
, N.Lichtenstein, Y.Manz, P.Mauron, A.Fily et S.Arlt. Cette publication décrit un amplificateur à semi-conducteurs générant un rayonnement de 976 nm à une puissance de 1 ,4 W à partir d'une diode laser de 1x3 μm.
[017] Cependant dans cet amplificateur, la puissance générée est limitée à quelques watts du fait de la faible surface émettrice.
[018] Une solution permettant d'augmenter la puissance, est alors d'utiliser une diode laser avec une structure en entonnoir qui permet d'obtenir des puissances supérieures, mais avec des largeurs spectrales plus importantes de l'ordre de 4 à 5 nm.
[019] Une telle solution est décrite dans une publication intitulée « Nearly- diffraction limited 980 nm tapered laser diode lasers with an output power of 6.7 W », paru dans le document « Conférence digest of 19th ISLC, IEEE, pp. 43-4 (2004) » et écrite par K.Paschke, B.Sumpf, F.Dittmar, G.Erbert, J.Fricke, A.Knauer, S.Schwertfeger, H.Wenzel et G.Trànkle.
[020] Mais l'inconvénient majeur de sources telles que des diodes lasers avec une structure en entonnoir, est la forte dépendance de leur spectre avec la température, et donc avec réchauffement de la structure et la puissance de pompage. [021] De plus, une telle solution est d'une mise en œuvre difficile, coûteuse, d'un encombrement élevé et souffre d'un manque de fiabilité car elle nécessite un alignement délicat.
[022] De surcroît, la puissance maximale qu'un tel laser peut délivrer est limitée à environ 10 W.
[023] La production de rayonnement TEM00 à sensiblement 488 nm par doublage du faisceau à 976 nm est donc elle aussi limitée à 1 W. D'autre part, rémission directe du rayonnement à 488 nm par une technologie à Ar est limitée à quelques W.
[024] On connaît par ailleurs dans l'art antérieur, des architectures de lasers dont le milieu amplificateur est un matériau dopé par des ions Yb utilisés pour réaliser des sources laser sensiblement à 976 nm Ces architectures lasers comprennent des dispositifs de pompage optique émettant dans la bande spectale 910nm- 940nm
[025] Les solutions basées sur des matériaux dopés par des ions de terres rares, par exemple des ions Ytterbium, pompées par diode, utilisent soit des cristaux soit des fibres optiques dans lesquels sont incorporés les ions dopants. La solution fibrée a l'avantage d'être avec une solution entièrement fibrée et donc compacte, ultrastable et fiable.
[026] De plus, de la solution apportée par les milieux amplificateurs solides dopés aux ions de terres rares et émettant à sensiblement 976nm permet de réaliser une conversion opto-optique entre la puissance apportée par la pompe et la puissance délivrée par le laser pouvant aller jusqu'à 80%.
[027] Cependant, l'émission d'un milieu amplificateur solide (cristal ou silice) dopé aux ions ytterbium à sensiblement la longueur d'onde laser de 977 nm implique des contraintes fortes sur la géométrie de l'amplificateur (section transverse et longueur du milieu amplificateur), du faisceau de pompage et du niveau de pompage. Pour réaliser cette émission à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm, l'intensité de pompage doit excéder une valeur limite, dite intensité de transparence (~30kW/cm2) pour la silice dopée aux ions ytterbium lorsqu'on la pompe à sensiblement 915nm et que l'on souhaite émettre à sensiblement 977 nm) nécessaire pour réaliser l'amplification optique. Lorsque le milieu amplificateur est un cristal dopé aux ions ytterbium, l'intensité de pompe nécessaire est obtenue en focalisant fortement le laser de pompe, la longueur utile de cristal étant limité par la zone de Rayleigh du faisceau pompe. La source de pompe doit être choisie suffisamment brillante pour assurer la transparence sur toute la longueur du cristal. La solution apportée par la fibre optique dopée lève cette contrainte sur la longueur de Rayleigh, puisque le faisceau de pompe est guidé par la fibre, ce qui permet d'obtenir de fortes intensités de pompage sur de grandes longueurs de fibre. Pour maximiser l'intensité de pompe dans la zone dopée (cœur de la fibre), il a été tout d'abord proposé d'injecter directement l'onde de pompe dans le cœur dopé monomode de la fibre. Cependant, cette technique de pompage nécessite l'utilisation de diodes laser semi conductrice (ou toute autre source laser) dans la bande 910 nm - 940 nm limitée par la diffraction et donc peu puissantes (<1W). Une autre solution consiste à guider une pompe multimode plus puissante dans une gaine guidante concentrique au cœur dopé, dite gaine de pompage. Cette dernière doit cependant présenter une section limitée pour assurer en tout point de la fibre la condition intensité de pompe locale supérieure à l'intensité de transparence.
[028] Jusqu'à lors, la puissance limitée des diodes de pompage dans la bande 910 nm - 940 nm ont conduit à limiter le diamètre des gaines de pompage à ~ 25 μm, permettant également de développer des sources lasers à fibres optiques dopées aux ions de terres rares délivrant une puissance moyenne de 3,5 W au maximum à une longueur d'onde infrarouge de sensiblement 977 nm, avec de fortes contraintes sur le niveau de pompage employé et la géométrie de la fibre employée. Ces travaux, qui constituaient jusqu'à lors le record d'émission d'un laser à fibre à sensiblement 977nm, sont rapportés dans la publication [K.H. YIIa Jarkko, R.Selvas, D.B. Soh, J.K. Sahu, CA. Codemard, J. Nillson, S. A. Allam and A.B. Grudinin, " A 3.5W 977nm jacketed air clad fiber laser ytterbium doped fiber laser", OSA Trends in Optics and Photonics. Advanced SoNd State Lasers Vol. 34, (2000).]
[029] Aujourd'hui, les progrès techniques de la technologie des lasers à semi conducteurs ont conduit à la disponibilité commerciale de diodes lasers fibrées de forte puissance (10W -1 kW) dans la bande 910 nm - 940 nm dont le faisceau multimode est délivré sur des fibres de diamètre entre 100 μm et 800 μm sous une ouverture numérique de sensiblement 0.22. Par l'emploi de ces diodes plus puissantes, II est dès lors possible de lever la contrainte liée au niveau de pompage requis pour atteindre la transparence du matériau.
[030] Cependant, l'emploi de fibres présentant des diamètres de gaine de pompe compatibles avec l'emploi de ces diodes de fortes puissances conduit à un nouveau verrou physique pour l'émission laser à sensiblement 977 nm . En effet, pour émettre un faisceau laser monomode, le cœur de la fibre dopée doit présenter un cœur de diamètre limité. La fibre utilisée dans la publication [K. H. YIIa Jarkko, R.Selvas, D.B. Soh, J.K. Sahu, CA. Codemard, J. Nillson, S. A. Allam and A. B. Grudinin, " A 3.5W 977nm jacketed air clad fiber laser ytterbium doped fiber laser", OSA Trends in Optics and Photonics. Advanced Solid State Lasers Vol. 34, (2000).] présentait un cœur de 9μm de diamètre.
[031] Actuellement, les technologies de fibres classiques ne permettent pas de dépasser des diamètres de cœur de l'ordre de 12 μm pour demeurer limité par la diffraction. Ainsi, le recouvrement entre l'onde de pompe se propageant dans la gaine de pompe et le cœur dopé est très petit.
[032] Compte tenu de ce faible recouvrement entre onde de pompe et cœur dopé, les longueurs de fibre nécessaires pour absorber l'onde de pompe injectée sont typiquement de plusieurs mètres, voire dizaine de mètres
[033] Or, lorsque la longueur de la fibre est augmentée, la raie laser d'une longueur d'onde dans la bande 1010 nm - 1100 nm, pour laquelle ces fibres sont usuellement employées, présente un gain très supérieur à celui de la raie autour de laquelle on souhaite obtenir un rayonnement laser de sensiblement 977 nm. L'étude de l'influence de ce gain parasite et des limitations qui en découlent sont donnés dans la publication [J.Nilsson, J.D.Minelly, R.Paschotta, A.C. Tropper, and A.C Hanna, "Ring doped cladding pumped single-mode. three level fiber laser", Opt. Lett. 23, 355 (1998)].
[034] Ainsi, pour obtenir une source laser à fibre infrarouge à environ 977 nm, il convient d'utiliser une fibre suffisamment courte pour limiter le gain parasite dans la bande spectrale 1010 nm - 1100 nm. Cependant, une fibre réalisant cette condition, compte tenu de la section limitée de son cœur, présentera l'inconvénient de ne pas absorber l'onde de pompe de la diode laser. Le laser conçu avec une telle fibre sera ainsi de puissance faible et limitée.
EXPOSE DE L'INVENTION
[035] L'invention vise à remédier aux problèmes liés aux difficultés techniques rencontrées dans la génération de sources lasers d'une longueur d'onde fondamentale dans l'infrarouge à une longueur d'onde de sensiblement 977 nm en sortie d'un système laser dont le milieu amplificateur est une fibre optique dopée aux ions de terres rares. Ce laser est de faible encombrement, de faible coût, de forte puissance.
[036] L'invention propose d'améliorer les dispositifs laser à fibre à haute puissance par l'utilisation d'une fibre dopée dont le diamètre de cœur est très fortement augmenté par rapport aux diamètres de fibres monomodes standards et qui est apte à fournir un guidage optique monomode de l'onde laser de sorte à augmenter la puissance du faisceau laser.
[037] Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif laser à fibre émettant un rayonnement monomode transverse contrôlé à une longueur d'onde donnée comprenant :
- au moins une diode laser apte à émettre une onde de pompe, et
- un tronçon de fibre optique amplificatrice gainée présentant deux extrémités, ladite fibre optique amplificatrice comportant un cœur d'un diamètre compris entre 12 μm à 200 μm et une gaine de pompage, la fibre étant dopée avec un dopant de terre rare ledit dispositif comporte :
- des moyens de couplage de l'onde de pompe dans la gaine de pompage à au moins une extrémité de la fibre, et
- un résonateur apte à réinjecter un faisceau laser à la longueur d'onde donnée aux deux extrémités dudit tronçon,
ledit résonateur comprenant des éléments sélectifs en longueur d'onde intra-cavité aptes à coopérer avec les moyens d'injection de sorte à filtrer sur la longueur d'onde donnée et également à réinjecter dans la fibre l'onde de pompe non absorbée après un passage dans la fibre.
Avantageusement, la coopération des moyens sélectifs avec les moyens d'injection permet d'infliger des pertes dans la bande spectrale du rayonnement parasite 1010nm - 1100nm.
Selon des modes de réalisation particuliers:
- les moyens de couplage comprennent deux lentilles, lesdites lentilles étant choisies parmi l'une quelconque au moins des lentilles suivantes: microlentille, lentille cylindrique, elliptique, hyperbolique, ou des condensateurs asphériques ;
- les moyens de couplage se rapportent à un coupleur comprenant N fibres multimodes d'entrée susceptibles d'être soudées directement aux sorties fibrées de N diodes de pompage et une fibre de sortie comportant ou non un cœur de guidage supportant la propagation d'un mode sensiblement identique à celui de la fibre amplificatrice, susceptible d'être directement soudée à la fibre amplificatrice à large cœur.
- les moyens de couplage se rapportent à une fibre optique à large mode dont la section transverse est progressivement amincie de manière à adopter une structure en entonnoir., - la fibre à large mode a une extrémité ayant le même diamètre que la fibre délivrant l'onde de pompe et l'autre extrémité ayant le diamètre de la gaine de la fibre amplificatrice de sorte à que ledit entonnoir est soudée à une extrémité à la fibre délivrant le faisceau de pompe et à l'autre extrémité est soudée à la fibre à large mode.
- les éléments sélectifs se rapportent à un élément choisi parmi l'un quelconque au moins des éléments suivants: un miroir dichroïque, un filtre absorbant ou interférométrique, une courbure de la fibre amplificatrice, un élément dopant ajouté dans la constitution du cœur de la fibre amplificatrice, un réseau massif externe, un prisme, un réseau de Bragg photoinscrit dans le cœur de la fibre amplificatrice ou un réseau de Bragg externe à la fibre amplificatrice ; ]
'i
- la fibre est une fibre large aire modale ou une fibre LMA ;
X
- le diamètre de la gaine de pompage est compris entre 50 et 800 μm ; - \
- le cœur et la gaine sont concentriques ;
- le cœur a un diamètre supérieur 12μm ;
- la fibre est dopée avec un élément choisi parmi l'un quelconque au moins des éléments suivants: des ions ytterbium, du germanium, du phosphore, du bore ou du fluor ;
- la fibre est apte à émettre un faisceau en limite de diffraction en sortie du cœur ;
- la fibre est intrinsèquement à maintien de polarisation ou maintenue dans une position fixe ;
- la fibre à large mode est une fibre micro-structurée air silice;
- La fibre est rigide car maintenu dans un barreau de silice pur de diamètre externe supérieur à 1 mm (technologie des fibres «rod-type fiber ») - La fibre est souple.
- la gaine de la fibre est un guide d'onde, apte à réaliser le guidage de l'onde de pompe, formé par une couronne de trous d'air, nommée gaine d'air, ayant une ouverture numérique supérieure à 0.5 ;
- le guidage de l'onde à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm est réalisé par un réseau de trous d'air parallèles à l'axe optique entourant le cœur dopé ;
- La fibre appatient à la famille des fibres micro-structurées air-silice.
- la longueur d'onde donnée se situe dans l'infrarouge;
- la fibre amplificatrice est d'une longueur réduite de sorte que le gain laser du rayonnement parasite dans la bande 1010 nm - 1100 nm reste inférieur à 60 dB;
- la diode laser délivre des puissances de 10 à 1000W, et
- l'onde de pompe est couplée à une fibre multimode ayant un diamètre compris entre 50 μm et 800 μm.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[038] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
- la figure 1 , illustre une représentation du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2, représente la section d'une fibre optique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3A, illustre les spectres d'absorption et d'émission des ions ytterbium lorsqu'ils sont insérés dans une matrice silice, ce qui est le cas dans une fibre optique; - la figure 3B, illustre les niveaux d'énergie des ions ytterbium ;
- la figure 4, représente la puissance du laser à fibre de haute puissance à trois niveaux d'énergie en fonction de la puissance de pompe, et
- la figure 5A et 5B, représente le spectre de sortie du laser, selon un mode de réalisation de l'invention.
[039]Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[040] Dans un exemple de réalisation du dispositif, selon l'invention, illustré à la figure 1 , le dispositif 1 comprend :
- une diode laser 2 ;
- une fibre optique amplificatrice 6 ;
- des moyens de couplage 4 ;
un résonateur incluant des éléments sélectifs en longueur d'onde 5,13.
[041] La diode laser 2 utilisée est une source de pompage multimode transverse à environ 915 nm, dont la puissance est de 230W, dont le rayonnement émis est délivré par une fibre optique de diamètre de 400 μm et une ouverture numérique NA=0,22.
[042] La lentille 10 présentant une ouverture numérique de 0.5 et une focale de 8 mm et le miroir dichroïque 9 est totalement réfléchissant à la longueur d'onde de pompage à environ 915 nm.
[043] Les moyens de couplage de l'onde de pompe dans la gaine de la fibre dopée comprennent deux lentilles de focales respectives 18 mm et 8 mm 14 et 15 et un miroir dichroïque transparent à la longueur d'onde de pompe et réfléchissant à la longueur d'onde laser 13.
[044] Les optiques sélectives se rapportent à deux miroirs dichroïques 11 et 12.
[045] La fibre optique 6 est une fibre à cristal photonique appelée aussi en langue anglaise «rod-type photonic crystal fibres ». Cette fibre est d'une longueur réduite qui n'excède pas 1 ,23 m.
[046] Une section de cette fibre est illustrée à la figure 2.
[047] Les fibres photoniques ne sont pas, comme les fibres classiques, entièrement constituées d'un matériau solide transparent comme la silice dopée; en section, une fibre photonique présente un réseau de trous d'air.
[048] Ces trous sont parallèles à l'axe de la fibre, et s'étendent longitudinalement le long de la fibre. Pratiquement, ces trous peuvent être obtenus en fabriquant la préforme par assemblage de tubes capillaires ou de cylindres de silice, en respectant le motif des trous à obtenir dans la fibre. L'étirage d'une telle préforme fournit une fibre avec des trous correspondant aux tubes capillaires.
[049] La présence de ces trous dans le matériau de la fibre crée des variations d'indice moyen du matériau. Ces variations de l'indice peuvent, comme dans une fibre optique classique, être utilisées pour le guidage par réflexion totale interne de signaux lumineux à des longueurs d'onde adaptées.
[050] Cette fibre 6 est un élément constitutif du dispositif 1 qui permet de mettre en œuvre un laser à fibre de haute puissance à trois niveaux d'énergie.
[051] On peut noter que ce type de laser à fibre est plus compact, plus stable et n'a pas besoin de mode de refroidissement comparé aux technologies semi conducteurs. Il a également une meilleure qualité de faisceau, la qualité du faisceau étant imposé par les propriétés de guidage de la fibre, II a donc une meilleure résolution pour des applications de marquage. [052] Cette fibre optique est dopée avec un ion de terre rare qui est dans ce mode de réalisation principalement l'ytterbium.
[053] C'est donc une fibre optique dopée ytterbium (Yb) ultra large cœur de type barreau (autrement appelé en anglais « rod-type fiber »)
[054] L'ytterbium appartient à la catégorie des ions de terres rares ou des ions métalliques qui sont couramment utilisés pour réaliser des sources laser. Parmi tous les ions utilisables, seuls ces ions ytterbium, qui font partie des ions terre rares, ont une transition vers 976 nm.
[055] On notera que pour la fibre utilisée le ratio des surfaces cœur/gaine, est sensiblement de 6,5.
Dans une autre mode de réalisation, ce ratio est compris entre 5 et 100.
3+
[056] La figure 3A illustre les spectres d'absorption et d'émission des ions Yb
3+ dans la silice, les matériaux dopés par des ions Yb présentent une section efficace d'émission très importante vers 976 nm, associée à une bande d'absorption vers 915 nm.
[057] Cette figure 3A illustre, notamment, que la section efficace d'absorption de Tytterbium dans les verres est largement plus importante que la section efficace d'émission.
[058] Selon la matrice cristalline ou amorphe utilisée, les sections efficaces d'émission vers 976 nm et d'absorption vers 915 nm sont plus ou moins élevées. Avec une bande d'absorption d'une dizaine de nanomètres de largeur à mi-hauteur vers 915 nm, le pompage par diode pourra être envisagé. Néanmoins, cette forte émission autour de 976 nm est accompagnée d'une absorption toute aussi intense.
[059] A la figure 3B on constate que le pompage s'effectue entre le sous-niveau
2 3 le plus bas du multiplet F7/2 et le sous-niveau le plus haut du multiplet F5/2. 3
L'émission a lieu entre le sous-niveau le plus bas du multiplet F5/2 et le sous-
2 niveau le plus bas du multiplet F7/2.
[060] On obtient donc une vraie transition à trois niveaux, qui impose des contraintes importantes sur le pompage de ces matériaux afin d'obtenir l'émission autour de 976 nm.
[061] Le matériau dopé par des ions ytterbium absorbe tout rayonnement autour de 976 nm en l'absence de pompage. Pour obtenir une émission vers 976 nm, le pompage du matériau devra être suffisamment intense pour réaliser l'inversion de population de transparence à la longueur d'onde laser 976 nm dans le milieu dopé. En d'autres termes, II faut donc que l'intensité de pompage autour de 915 nm soit suffisante pour atteindre la transparence du milieu dopé vers 976 nm. Cette intensité, correspondant à l'annulation de l'absorption à la longueur d'onde laser 976 nm dans le matériau, est appelée intensité de transparence.
3+
[062] L'utilisation de cette fibre en silice dopée par des ions Yb permet de confiner la pompe dans le milieu dopé, et d'atteindre facilement l'intensité de transparence sur la longueur de ce milieu dopé. Cette fibre garantit donc une forte interaction du faisceau de pompe avec l'ion dopant, sur une grande longueur grâce au confinement de la lumière dans la gaine de pompage de la fibre.
[063] Cette fibre dopée à l'ytterbium utilisée pour cette transition est une fibre monomode transverse présentant des dimensions record (diamètre de 80 μm) pour une fibre monomode. Des dimensions aussi extrêmes du cœur dopé sont rendues possibles par le réseau de très petits trous d'air (d'un diamètre inférieur à
100nm, illustré à la figure 2, élément 19) diminuant l'indice moyen de la gaine entourant le cœur dopé et permettant d'obtenir une ouverture numérique de cœur de l'ordre de 0.01.
[064] Le signal à sensiblement 977 nm se propage dans le cœur dopé de diamètre de 80 μm et la pompe à sensiblement 915 nm se propage à l'intérieur de la gaine optique d'un diamètre de 200 μm avec une grande ouverture numérique supérieure à 0,7. Cette gaine est définie par une microstructure remplie d'air (illustrée à la figure 2, élément 18). Cette microstructure comporte des trous beaucoup plus gros que ceux définissant le cœur (>2μm) suivant un motif qui préserve la symétrie de la fibre autour de son axe longitudinal.
[065] On précise que les dimensions des trous définissant respectivement le cœur et la gaine de la fibre peuvent être ajustés en fonction des caractéristiques de guidage désirées : diamètre de cœur, ouverture numérique de la gaine ou du cœur.
[066] Dans la configuration de pompage par la gaine optique, cette fibre présente une absorption de pompe d'une valeur de 10 dB/m à 915nm.
[067] Elle permet, grâce à un recouvrement pompe-cœur dopé très efficace d'absorber 230W de pompe sur des longueurs très courtes de 123cm. Sur une telle longueur, l'intensité de pompage reste uniformément le long de la fibre inférieure à l'intensité de transparence et le gain parasite dans la bande spectrale 1010 nm - 1100 nm suffisamment faible pour être compensé par l'ensemble (5) des éléments sélectifs en longueur d'onde
[068] Dans ce dispositif, la diode laser 2 émet un rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 910 et 940 nm.
[069] Dans une configuration particulière, la diode laser de pompe utilisée délivre des puissances de 10W à 1000W, le faisceau de pompe peut être délivré directement en espace libre, ou être couplée à une fibre multimode, présentant des diamètres de 50 à 800μm.
[070] La lumière issue de la diode de pompe est couplée à une fibre de transport puis injectée dans la fibre amplificatrice 6 grâce à des moyens optiques 4. Ces moyens de couplage 4 comprennent dans cette configuration particulière deux lentilles 14 et 15.
[071] Les moyens optiques 4 sont conçus de façon à coupler la lumière issue de la fibre de transport dans la fibre laser. En particulier ces moyens optiques présentent un grandissement qui permet à l'image du cœur de la fibre de transport de la pompe en sortie de diode laser d'avoir une dimension sensiblement égale ou inférieure au diamètre de la gaine de pompe de la fibre laser 6.
[072] De même ces moyens optiques 4 ont une ouverture numérique égale ou supérieure au produit ON,/G où G est le grandissement du système optique 4 et ON1 est l'ouverture numérique de la fibre de transport.
Par exemple si on considère la diode multimode 2 à 915 nm couplée dans une fibre de diamètre 400μm et d'ouverture numérique 0.22, et la fibre laser de la figure 2 dont la gaine de pompage 18 a un diamètre de 200 μm et une ouverture numérique de 0.7, les moyens optiques doivent présenter un grandissement G ≤ 200/400=0,5 et une ouverture numérique image d'au moins 0.5. Dans l'exemple présenté ici, les moyens optiques sont composés d'un couple de deux lentilles asphériques : une première lentille 14 de focale 18 mm et une deuxième lentille 15 de focale 8 mm.
La lentille 15 de 8mm 15 à une ouverture numérique de 0.5.
[073] Dans une configuration particulière, ces deux lentilles peuvent être des microlentilles, cylindriques, elliptiques, ou hyperboliques, ou des condenseurs asphériques.
[074] Dans une autre configuration, les moyens de couplage peuvent être :
- Un coupleur comprenant N fibres multimodes d'entrée susceptibles d'être soudées directement aux sorties fibrées de N diodes de pompage et une fibre de sortie susceptible d'être directement soudée à la fibre amplificatrice à large cœur.
- Une fibre optique à large mode dont la section transverse est progressivement amincie de manière à adopter une structure en entonnoir. Cette fibre a une extrémité ayant le même diamètre que la fibre délivrant l'onde de pompe et I' autre extrémité ayant le diamètre de la gaine de la fibre amplificatrice; [075] Dans le cas où les moyens de couplage se rapportent à un tronçon de fibre, les deux extrémités de cette fibre « en entonnoir » sont alors soudées respectivement en sortie de la fibre de transport de la diode 2 et en entrée de la fibre amplificatrice à gros cœur dopé 6.
[076] A la figure 2, la fibre présente une géométrie qui permet une propagation monomode dans le cœur 19 et multimode dans la gaine de pompage. Le rapport entre les diamètres du cœur 19 et de la gaine de pompe est inférieur à 10. Dans cette configuration particulière, la fibre monomode transverse présente des dimensions importante avec un diamètre du cœur dopé 19 de 80 μm. De telles dimensions du cœur dopé sont rendues possibles par le réseau de très petits trous d'air (<100nm de diamètre) diminuant l'indice moyen de la gaine et permettant d'obtenir une ouverture numérique de cœur de l'ordre de 0.01.
[077] Le signal à sensiblement 977 nm se propage dans le cœur dopé de diamètre de 80 μm 19 et la pompe à sensiblement 915 nm se propage à l'intérieur de la gaine optique d'un diamètre de 200 μm avec une grande ouverture numérique supérieure à 0,7.
[078] Cette gaine est définie par une microstructure remplie d'air 18. Cette microstructure 18 comporte des trous beaucoup plus gros que ceux définissant le cœur (>2μm) suivant un motif qui préserve la symétrie de la fibre autour de son axe longitudinal.
[079]Pour des puissances plus faibles, il est possible d'utiliser des cœurs plus petits. Le rapport entre les surfaces transverses du cœur dopé 19 de la fibre 6 et de la gaine de pompe 18 doit rester dans l'intervalle 5-100 et préférentiellement plus proche de 5. La gaine de la fibre 6 peut présenter un diamètre de gaine 18 de guidage de la pompe entre 50 et 400 μm.
[080] La fibre amplificatrice présente une propagation monomode du faisceau dans le cœur dopé à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm. La fibre est intrinsèquement à maintien de polarisation ou simplement maintenue dans une position fixe. Le eœur de la fibre peut contenir en plus des ions dopants de terres rares une ou plusieurs des espèces chimiques suivantes : Germanium, Phosphore, Bore, Fluor.
[081] Le cœur dopé de la fibre 18 présente un diamètre supérieur à 12 μm. Ii s'agit donc d'une fibre à large aire modale ou fibre LMA (Large Mode Area).
[082] La fibre à large mode peut être une fibre micro-structurée air silice, rigide ou souple. La longueur de la fibre 6 est choisie de façon à ce que l'intensité de pompage en sortie de fibre soit supérieure à l'intensité de transparence en sortie de fibre et à ce que le gain indésirable dans la bande 1010 nm - 1100nm soit maintenu inférieur à 6OdB.
[083]Dans ce mode de réalisation, pour 230W de pompe injectée, on mesure 63W de puissance de pompage résiduelle après une longueur de propagation de 123cm, pour une puissance de transparence calculée de 11 W. Cette puissance correspond à des intensités de transparence de 30kW/cm2 et une section transverse de la gaine de pompage 18 de 31500/vm.
[084] Dans ce mode de réalisation, le gain à 1030nm est sensiblement de 50 dB.
[085] L'onde de pompe résiduelle en sortie de la gaine de pompage ainsi que l'onde laser sortant du cœur de la fibre amplificatrice 6 sont alors collimatées par un moyen optique 10.
[086] L'onde laser est réfléchie par le miroir 9, totalement réfléchissant à la longeur d'onde laser de sensiblement 977 nm alors que l'onde de pompe à sensiblement 915 nm n'est pas réfléchie. Cette pompe résiduelle est alors incidente sur un miroir 8 fortement réfléchissant la longueur d'onde de pompe de 915 nm dans ce mode de réalisation.
[087] La position de ce miroir est calculée afin que le faisceau de pompe réfléchi par le miroir soit exactement ré-injecté dans la gaine de pompe de la fibre laser. Pour un miroir plan cette position correspond à celle de l'image de la face de sortie de la fibre laser à travers le moyen optique 10.
[088] L'onde de pompe effectue alors un second voyage dans la fibre laser, ce qui augmente l'absorption de la pompe, et augmente l'inversion de population, ainsi que l'efficacité du laser.
[089] Dans une autre configuration, ce moyen de recyclage de la pompe peut être un réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur de la fibre, ou un réseau de Bragg massif en espace libre, ou un prisme, ou un réseau.
[090] Un miroir dichroique 13 est placé entre les deux moyens optiques 14 et 15. Ce miroir dichroique est totalement réfléchissant autour de 977 nm et totalement transparent à la longueur d'onde de pompe.
[091] Un second miroir 11 totalement réfléchissant autour de 977 nm est placé sur la trajectoire du faisceau laser afin de former un résonateur avec la face de la fibre opposée à la pompe.
[092] Dans une autre configuration, le résonateur correspond à des miroirs à haute réflectivité (HR) ou de réflectivité fini à la longueur d'onde de sensiblement 977nm.
Les dispositifs de réinjection aux extrémités de la fibre peuvent être des réseaux de Bragg photo-inscrits directement dans le cœur dopé de la fibre réfléchissant à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm, ou des tronçons de fibre non dopés avec un réseaux de Bragg réfléchissant à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm inscrits dans le cœur, ces tronçons de fibres étant soudés à la fibre amplificatrice. Les dispositifs de réinjection aux extrémités de la fibre peuvent être des réseaux de Bragg massifs.
Un ou plusieurs des éléments constituant le résonateur peuvent être sélectifs en longueur d'onde, c'est-à-dire réfléchissant à la longueur d'onde de sensiblement 977nm et de très faible réflectivité dans la bande (1010 nm - 1100 nm). [093] L'ensemble des éléments optiques 5 comprend le miroir 12 totalement transparent à la longueur d'onde laser 977 nm et présentant une réflectivité >99% dans la bande 1010 nm - 1100 nm, et le miroir de fond de cavité 11 qui présente une transmission >99% dans la bande 1010 nm - 1100 nm.
[094] Au total, cet ensemble inflige des pertes suffisantes dans la bande 1010 nm - 1100 nm pour que le laser oscille spontanément autour de 977 nm.
[095] Dans une autre configuration, le moyen d'exercer une sélection en longueur d'onde se rapporte à :
- un ou plusieurs miroirs dichroïques aptes à réfléchir un signal d'une longueur d'onde définie ;
- un ou plusieurs filtres absorbant ou interférométrique ;
- une courbure particulière de la fibre amplificatrice ;
- un élément dopant ajouté dans la constitution du cœur de la fibre absorbant dans la bande 1010 nm- 1100 nm, ou
- un réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur de la fibre ou un réseau de Bragg massif extérieur à la fibre.
- un prisme ou un réseau
[096] Ce dispositif 1 permet donc de générer un laser de puissance aux alentours de 976 nm permettant d'atteindre aisément des puissances de l'ordre de plusieurs centaines de watts, contre 10W dans l'état de la technique, avec une qualité de faisceau excellente.
[097] Le laser 7 délivré est un faisceau 7 monomode transverse aux alentours de 976nm qui est très puissant.
[098] Le dispositif, par la combinaison :
- d'une fibre dopée Yb ultra large cœur de type barreau, - d'optiques spectralement sélectives permettant d'éliminer les effets lasers parasites sur les longueurs d'ondes non désirées, et
- d'une optique permettant de recycler la pompe non absorbée,
permet de produire ces niveaux de puissances de plus de 100W, voire 1 kW à 977nm. suivant la puissance de la diode de pompe à sensiblement 915 nm,
[099] A la figure 4, est représentée la puissance du laser à sensiblement 977 nm de haute puissance à trois niveaux d'énergie en fonction de la puissance de pompe à sensiblement 915 nm.
[0100] Le seuil laser est atteint à la valeur de puissance de pompe de la diode de 18W à 915nm. Au maximum de la puissance de pompe disponible, à 230W, le laser produit une puissance allant jusqu'à 94 W à 977 nm.
[0101] La pente d'efficacité du laser entre la puissance de pompe et la puissance laser est de 48%.
[0102] La qualité du faisceau laser reste excellente à de telles valeurs de puissance, et les performances du dispositif sont limitées par la puissance de pompe disponible de la diode.
[0103] La figure 5A représente le spectre de sortie du laser mesuré à pleine puissance de sortie à partir d'un analyseur de spectre optique avec une résolution de 0.07nm.
[0104] Comme le montre cette figure, le laser oscille spontanément sur un intervalle spectral de 6 nm centré à 977 nm.
[0105] En raison du filtrage spectral efficace de l'action de la combinaison des deuxième et troisième miroirs 12,1 1 , l'émission parasite à 1030 nm est 35dB au- dessous du signal maximal du laser à 977 nm.
[0106] Plus de 98 % de la densité de puissance spectrale est contenu dans l'intervalle spectral allant de 975 nm à 980 nm. [0107] A titre de comparaison, la figure 5B représente le spectre de sortie du laser aussi bien que le spectre spontané amplifié de l'émission obtenue en supprimant la rétroaction du miroir 11.
[0108] En outre, la fibre dopée à un diamètre de cœur très fortement augmenté par rapport aux diamètres de fibres monomodes standards (c'est-à-dire présentant des cœurs de diamètre <12μm). Le diamètre du cœur est choisi entre 12 μm et
200 μm. Pour atteindre les très fortes puissances, l'invention met en œuvre l'utilisation des fibres optiques spéciales à large aire modale (LMA) à saut d'indice ou micro-structurées, pouvant présenter des diamètres de cœur record > allant jusqu'à 80μm actuellement tout en assurant un guidage optique monomode de l'onde laser autour de 977 nm.
[0109] Le dispositif selon l'invention permet aussi d'obtenir un laser de haute puissance à 488 nm puisqu'il présente une excellente qualité spatiale permettant de focaliser le faisceau sur un volume le plus réduit possible et une puissance suffisante pour obtenir des efficacités importantes dans l'étage non-linéaire.
[0110] Ce dispositif constitue un milieu laser à solide émettant directement à des longueurs d'onde à sensiblement 488 nm, qui offre l'avantage d'être moins encombrant, plus fiable et moins coûteux que des dispositifs utilisant un milieu solide émettant entre 800 et 1100 nm auquel est adjoint un étage d'optique non- linéaire pour effectuer des mélanges ou des doublages de fréquence. Ces dispositifs mettent en œuvre un procédé consistant à produire un rayonnement à 976 nm ou à 1029 nm et à le doubler en fréquence. Un tel étage non-linéaire de doublage de fréquence impose des contraintes fortes sur les caractéristiques du faisceau fondamental à 976 ou 1029 nm.
[0111] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et illustrés. Elle n'est en outre pas limitée à ces exemples d'exécution et aux variantes décrites.
[0112] En effet dans une variante la fibre optique photonique peut être dopée avec des ions de terres rares ou d'ions métalliques autres que des ions Ytterbium.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1 ) laser à fibre émettant un rayonnement monomode transverse contrôlé à une longueur d'onde donnée comprenant :
- au moins une diode laser (2) apte à émettre une onde de pompe, et
- un tronçon de fibre optique (6) amplificatrice gainée présentant deux extrémités, ladite fibre optique (6) amplificatrice comportant un cœur et une gaine de pompage, la fibre étant dopée avec un dopant de terre rare,
caractérisé en ce que le cœur de la fibre optique (6) amplificatrice est d'un diamètre compris entre 12 μm et 200 μm, et en ce que te dispositif (1) comporte :
- des moyens de couplage (4 ) de l'onde de pompe dans la gaine de pompage à au moins une extrémité de la fibre, et
- un résonateur apte à réinjecter un faisceau laser à la longueur d'onde donnée aux deux extrémités dudit tronçon (6),
ledit résonateur comprenant des éléments sélectifs (5, 13, 8,9) en longueur d'onde intra-cavité aptes à coopérer avec les moyens d'injection (4) de sorte à filtrer sur la longueur d'onde donnée et également à réinjecter dans la fibre (6) l'onde de pompe non absorbée après un passage dans la fibre (6).
2. Dispositif laser à fibre selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de couplage (4) comprennent deux lentilles (14,15), lesdites lentilles étant choisies parmi l'une quelconque au moins des lentilles suivantes: microlentille, lentille cylindrique, elliptique, hyperbolique, ou des condensateurs asphériques.
3. Dispositif laser à fibre selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de couplage (4 ) se rapportent à un coupleur comprenant N fibres multimodes d'entrée susceptibles d'être soudées directement aux sorties fibrées de N diodes de pompage et une fibre de sortie susceptible d'être directement soudée à la fibre amplificatrice (6).
4. Dispositif laser à fibre selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de couplage (4 ) se rapportent à une fibre optique à large mode dont la section transverse est progressivement amincie de manière à adopter une structure en entonnoir.
5. Dispositif laser à fibre selon la revendication précédente, dans lequel ladite fibre à large mode a une extrémité ayant le même diamètre que la fibre délivrant l'onde de pompe et l'autre extrémité ayant le diamètre de la gaine de la fibre amplificatrice de sorte que ledit entonnoir est soudée à une extrémité de la fibre délivrant le faisceau de pompe et à l'autre extrémité à la fibre à large mode.
6. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments sélectifs se rapportent à un élément choisi parmi l'un quelconque au moins des éléments suivants: un miroir dichroïque, un filtre absorbant ou interférométrique, une courbure de la fibre amplificatrice, un élément dopant ajouté dans la constitution du cœur de la fibre amplificatrice, un réseau massif externe , un prisme, un réseau de Bragg photoinscrit dans le cœur de la fibre amplificatrice ou un réseau de Bragg externe à la fibre amplificatrice.
7. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre est une fibre large aire modale ou une fibre LMA
(acronyme de Large Mode Area).
8. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre de la gaine de pompage est compris entre 50 μm et 400μm.
9. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cœur et la gaine sont concentriques.
10. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cœur a un diamètre supérieur 12μm.
11. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre (6) est dopée avec un élément choisi parmi l'un quelconque au moins des éléments suivants: des ions ytterbium, des ions Néodyme, du germanium, du phosphore, du bore ou du fluor.
12. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre est apte à émettre un faisceau en limite de diffraction en sortie du cœur.
13. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre est intrinsèquement à maintien de polarisation ou maintenue dans une position fixe.
14. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, dans lequel la fibre à large mode est une fibre micro structurée air silice.
15. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre (6) est rigide et est maintenue dans un barreau de silice pur de diamètre externe supérieur à 1 mm.
16. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la fibre (6) est souple.
17. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la gaine de la fibre (6) est un guide d'onde, apte à réaliser le guidage de l'onde de pompe, formé par une couronne de trous d'air comportant une couronne de trous d'air, nommée gaine d'air, ayant une ouverture numérique supérieure à 0.5.
18. Dispositif laser à fibre selon la revendication précédente, dans lequel le guidage de l'onde à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm est réalisé par un réseau de trous d'air parallèles à l'axe optique entourant le cœur dopé.
19. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre (6) appartient à la famille des fibres micro structurées air-silice
20. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur d'onde donnée se situe dans l'infrarouge.
21. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre (6) est d'une longueur réduite de sorte que le gain laser du rayonnement parasite dans la bande spectrale 1010 nm- 1100 nm reste inférieur à 6OdB.
22. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la diode laser (2) émet une onde de pompe comprise dans la bande spectrale de 910nm à 940 nm.
23. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la diode laser délivre des puissances de 10 à 1000W.
24. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'onde de pompe est couplée à une fibre multimode ayant un diamètre compris entre 50μιm et 800μm.
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