FR2815181A1 - Dispositif d'amplification optique a propagation guidee, et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les dispositifs d'amplification optique à propagation guidée. Elle consiste à réaliser un guide d'onde dopé (202) sous la forme d'une spirale plate et à le noyer dans un disque (201) en matériau optique compatible avec le guide. Des diodes de pompage (206) sont placées sur la périphérie de ce disque. Le rayonnement de ces diodes pénètre par la périphérie et vient pomper la fibre optique sur toute sa longueur.Elle permet de réaliser des amplificateurs et des lasers de grande puissance.

Description

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La présente invention se rapporte aux dispositifs d'amplification optique qui utilisent la propagation guidée d'une onde lumineuse au sein d'un milieu adéquat. Elle concerne également les lasers, qui représentent en fait une variété d'amplificateur optique qui ont un grand coefficient d'amplification et un minimum de rétroaction pour obtenir l'amorçage des oscillations. Elle concerne enfin les procédés de fabrication de ces dispositifs.

On sait que l'on cherche à obtenir, notamment pour effectuer de l'usinage, des lasers compacts, efficaces, et de forte luminance, dont les coûts d'acquisition et d'entretien soient les plus faibles possibles.

On sait réaliser des lasers répondant partiellement à ces caractéristiques, en pompant par exemple un milieu solide tel que Nd : YAG à l'aide de diodes laser. Les puissances actuellement obtenues sont supérieures à 100 W avec une qualité de faisceau relativement suffisante, Il est probable que l'on arrivera bientôt à des puissances de l'ordre du kW. Le principal défaut de ces dispositifs réside dans leur encombrement. En outre la qualité du faisceau, en particulier en stabilité de puissance et en pointé, est déjà aux limites de l'acceptable. Il est donc à craindre que l'argumentation de puissance ne débouche sur une impossibilité de maintenir cette qualité au niveau souhaité.

On connaît également des lasers formés d'une fibre pompée par des diodes laser. De tels dispositifs délivrent couramment une puissance de 15 W et l'on pense pouvoir arriver à obtenir 100 W.

La fibre utilisée peut être enroulée, ce qui permet d'obtenir une très bonne compacité. La longueur de cette fibre permet également de s'affranchir des problèmes de gestion thermique. En outre le guidage du rayonnement laser à l'intérieur de la fibre permet d'obtenir une émission stable et une grande stabilité de pointé. Il est notamment possible de propager un mode unique, qui permet d'obtenir une très bonne qualité du faisceau émis par la fibre.

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Un tel laser à fibre pompée par diode laser est par exemple représenté sur la figure 1. Sur cette figure la fibre laser 101 comprend un coeur 102 entouré par une gaine 103.

Le diamètre de coeur 102 est couramment de l'ordre de 5 à 10 um, ce qui rend difficile le couplage des faisceaux lasers de pompage, surtout lorsque le nombre de ceux-ci est important pour obtenir une puissance suffisante.

Un premier moyen utilisé pour surmonter cette difficulté consiste à utiliser une fibre spéciale dans laquelle le coeur est double et comprend d'une part le coeur central 102 dopé pour obtenir l'émission laser, les dimensions sont de l'ordre de 10 um, et d'autre part un coeur 104 beaucoup plus large, dont les dimensions sont de l'ordre de la centaine de um et qui vient entourer le coeur 102. D'autres moyens pour favoriser le couplage consistent à relier la barrette de diodes lasers, qui comporte de manière connue sur une plaquette 105 plate et large d'environ 1 cm une vingtaine de diodes lasers 106 dont la surface d'émission est large d'environ 100 um pour une épaisseur d'environ 1 um, à un ensemble de fibres optiques 107. Celles-ci, combinées avec une lentille cylindrique 108 placée sur la tranche de la barrette de diode et une lentille sphérique convergente 109 placée entre l'extrémité du faisceau de fibre et le coeur 104, permettent d'obtenir une forme de faisceau adaptée au diamètre de ce deuxième coeur 104. Ceci permet de faire pénétrer et propager la lumière de pompage par le deuxième coeur 104, non dopé, et de pomper progressivement le coeur central 102 depuis ce deuxième coeur 104. Dans ces conditions, à partir d'une barrette commerciale dont la puissance maximale d'émission est inférieure à 60 W, on arrive au mieux à pomper la fibre avec une puissance de 20 à 30 W. On pourrait sans doute, en réalisant un multiplexage en polarisation et en appliquant l'énergie de pompage aux deux extrémités de la fibre, arriver à quadrupler la puissance de pompage. Ceci permettrait au mieux d'obtenir une puissance laser d'environ 50 à 100 W pour une fibre dopée avec l'ion Yb.

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Cette technique est donc limitée en puissance, et le dispositif de couplage entre les barrettes 105 et la fibre 101 s'avère très difficile, et donc coûteux, à mettre en oeuvre.

Pour surmonter ces limitations, l'invention propose un dispositif d'amplification optique à propagation guidée, comprenant un guide d'onde dopé et des moyens de pompage optique de ce guide d'onde, principalement caractérisé en ce que le guide est disposé sous la forme d'une spirale plate noyée dans un disque circulaire plat en matériau optique compatible avec le matériau du guide, et en ce que les moyens de pompage sont disposés sur au moins la périphérie extérieure du disque.

Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage sont formés de barrettes de lasers.

Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage sont couplés directement à la périphérie du disque pour que la propagation de l'énergie lumineuse émise par les moyens de pompage se fasse à l'intérieur du disque par réflexion sur les parois latérales de celui-ci.

Selon une autre caractéristique, la périphérie du disque est usinée pour présenter des facettes qui permettent de maximiser le couplage entre les moyens de pompage et le disque.

Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage sont couplés à la périphérie du disque par l'intermédiaire d'un dispositif optique de collimation ou d'imagerie pour que la propagation à l'intérieur du disque se fasse essentiellement de manière directe et quasi-parallèle.

Selon une autre caractéristique, le disque est percé d'un trou central pour former une couronne, les moyens de pompage sont disposés sur la périphérie extérieure de cette couronne, et la périphérie intérieure de celle-ci est aménagée pour permettre de faire réfléchir le rayonnement de pompage afin de lui faire effectuer au un aller-retour à l'intérieur de la couronne.

Selon une autre caractéristique, la périphérie intérieure du trou central est recouverte d'un revêtement réfléchissant.

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Selon une autre caractéristique, les extrémités du guide d'onde sont munies de moyens réfléchissants pour le faire fonctionner en laser.

Selon une autre caractéristique, le guide d'onde est formé d'une fibre optique comportant uniquement un coeur et sa première gaine optique et le matériau constituant le disque est de la silice.

Selon une autre caractéristique, le guide d'onde optique est intégral avec le matériau optique constituant le disque ; les caractéristiques définissant le guide d'onde ayant été obtenues par une modification locale du matériau de la couronne effectuée par l'intervention d'un rayonnement extérieur.

Selon une autre caractéristique, le dispositif comprend des moyens de refroidissement en contact étroit avec les faces du disque.

Selon une autre caractéristique, le dispositif d'amplification optique à propagation guidée comporte un empilement de dispositifs tels que définis ci-dessus.

Pour fabriquer un dispositif selon l'invention, selon une première méthode on dénude une fibre optique, on l'enroule sous la forme d'au moins une spirale plate dans un support creusé en forme de moule, on noie la spirale dans un gel de silice, on polit la masse de silice pour obtenir une première face du disque, on démoule cet ensemble, et on polit l'autre face de l'ensemble pour obtenir la deuxième face du disque.

Selon une autre caractéristique, après avoir démoulé l'ensemble une première fois, on le retourne et on coule une autre couche de gel de silice pour achever de noyer la spirale dans ce gel.

Selon un autre procédé, on dénude une fibre optique, on l'enroule en spirale dans un support formant moule, on vient exercer une pression sur cette spirale à l'aide d'une contreplaque venant s'encastrer dans ledit moule, on soumet l'ensemble à une température permettant le fluage de la partie extérieure de la fibre pour constituer ledit disque, et après démoulage on polit les faces du disque.

Selon un autre procédé, on fabrique un disque monolithique en matériau optique dopé et on inscrit le guide d'onde en forme de

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spirale dans le sein de ce disque en utilisant un laser de puissance du type femtoseconde.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1, un laser à fibre pompé par une extrémité, selon l'art connu ; - la figure 2, une vue de dessus d'un laser selon l'invention ; - La figure 3, une vue éclatée d'un laser multi-étages selon l'invention.

- la figure 4, une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un laser selon l'invention ; - la figure 5, une vue de dessus du laser de la figure 4 ; - la figure 6, une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un laser selon l'invention ; - la figure 7, une vue schématique partielle en coupe du laser de la figure 6 permettant de définir certains paramètres géométriques de ce laser ; - les figures 8 à 12, des schémas de couplage des extrémités de la fibre d'un laser selon l'invention avec le milieu extérieure.

- La figure 13 une vue en coupe des différentes étapes d'un premier procédé de réalisation d'un laser selon l'invention ; et - la figure 14, une vue en coupe d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre un deuxième procédé de réalisation d'un laser selon l'invention ;
Le laser selon l'invention, représenté sur la figure 2, est formé d'un disque en silice 201 de rayon extérieur r2 et qui présente un trou central 211 de rayon rl.

Ce disque comporte dans son épaisseur un guide d'onde optique 202 disposé en spirale dans le plan du disque. Ce guide d'onde optique, qui peut être par exemple, comme dans la suite de cette description non limitative, une fibre optique monomode ou

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multimode noyée dans la silice, émerge à l'extérieur du disque, dans cet exemple d'une part sur sa périphérie et d'autre part à l'intérieur du trou 211. La courbure de la fibre à la sortie à l'intérieur du trou 211 est très exagérée sur la figure. Dans la pratique, cette courbure est limitée pour éviter de casser la fibre, qui présente de manière connue un rayon de courbure minimal.

On pourra, dans d'autres modes de réalisation, disposer le guide d'onde selon plusieurs couches spiralées superposées, la spirale repartant à la fin de la première couche, du centre vers l'extérieur, puis éventuellement de l'extérieur vers le centre à la fin de la deuxième couche, etc. Une telle disposition permet d'une part d'augmenter la surface de pompage, et d'autre part, lorsque le nombre de couches est pair, de faire entrer et sortir la fibre optique par l'extérieur, ce qui évite les problèmes de cassures cités plus haut.

Dans ce dernier cas, on pourra éventuellement se passer du trou 211, pour avoir un disque plein et non pas une couronne.

Cette fibre est dopée de manière convenable pour obtenir l'émission laser désirée. Le dopant sera par exemple un ion terre-rare tel que Yb3+ qui permet une émission entre 1030 et 1100 nm à partir d'un pompage optique dans la région spectrale comprise entre 910 et 980 nm, obtenu par exemple à l'aide d'une barrette de diodes laser telle que 205. Bien entendu tout autre dopant ou combinaison de dopants pour lequel on peut trouver des diodes de pompage compatibles est utilisable.

Pour pomper la fibre, on utilise un ensemble de barrettes 205 de diodes laser 206 qui sont placées au niveau de la périphérie du disque 201. On a représenté sur la figure 2 seulement trois barrettes, mais, même si l'on a la possibilité de n'en utiliser qu'une seule, on a intérêt à en mettre le maximum compatible avec la circonférence du disque. On peut également placer de telles barrettes à l'intérieur de l'évidement 211, mais compte tenu du faible espace disponible à ce niveau, on aura intérêt à rendre réfléchissant, par un dépôt métallique ou diélectrique par exemple, la périphérie de cet évidemment intérieur. De cette manière on fera effectuer à la lumière un double

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passage à l'intérieur du disque en silice pour obtenir un maximum de pompage de la fibre.

Dans la variante de réalisation citée ci-dessus, où le centre du disque n'est pas évidé, la lumière de pompage se propage jusqu'à la partie de la périphérie du disque 101 placée en face de l'endroit de l'injection, ce qui double sensiblement la surface de pompage./1 est alors possible dans cette variante de ne mettre des barrettes de pompage que sur une moitié de la périphérie et de rendre réfléchissante l'autre moitié, de manière là aussi à faire effectuer un double passage à la lumière de pompage. Cette disposition permet d'obtenir une plus grande liberté sur le dimensionnement de l'ensemble du dispositif, pour optimiser l'ensemble des paramètres, tels que le nombre de sources, leur puissance unitaire, le diamètre du disque, la longueur du guide d'onde,...

Le couplage des diodes 206 et des barrettes 205 peut s'effectuer de différentes manières.

Une première méthode consiste, comme représenté sur la figure 4, à placer les barrettes de telle manière que les diodes soient directement au niveau et à proximité de la périphérie extérieure du disque 201.

En rapprochant suffisamment les diodes du disque, la totalité du faisceau peut être, dans le meilleur des cas, interceptée par la périphérie du disque et pénétrer dans celui-ci. Un traitement antireflet 207 appliqué sur cette périphérie permet alors de maximiser le couplage entre les diodes et le disque.

Comme représenté sur la figure 5, schématiquement et de manière non réaliste, dans le plan des barrettes 205 et du disque 201 le faisceau de la diode diverge naturellement. En tenant compte de la distance parcourue par les rayons, on peut arriver à une évasion de ces rayons en dehors des faces extérieures du disque 101. Pour que le rayonnement lumineux de pompage soit totalement intercepté par le disque sans nécessiter aucune optique d'adaptation, il est alors généralement nécessaire d'adopter divers moyens.

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On peut ainsi par exemple usiner la circonférence du disque 101 pour former des facettes planes sur lesquelles viendront s'adapter les barrettes 205, ou encore disposer des miroirs polygonaux dépassant du disque et venant réfléchir les rayons qui s'échappent de celui-ci.

L'énergie lumineuse ainsi introduite dans le disque se propage alors à l'intérieur de celui-ci vers l'évidement central 211 par réflexion sur les faces latérales du disque. Cette réflexion est obtenue soit par réflexion totale interne, dite RTI, soit à l'aide d'un revêtement réfléchissant 210, du type diélectrique ou métallique par exemple.

Lorsque le faisceau sur son trajet intercepte la fibre 202, une partie au moins de l'énergie propagée sur le trajet est absorbée par cette fibre, ce qui pompe le milieu laser.

Un traitement réfléchissant 208 appliqué sur la surface radiale du trou 211, lorsque celui-ci existe, permet de renvoyer le flux lumineux subsistant à ce niveau vers l'extérieur du disque et d'augmenter ainsi l'absorption de ce faisceau lumineux par la fibre.

L'intérêt de cette configuration réside dans ce qu'elle ne nécessite aucune adaptation entre les diodes et le disque et en ce que l'absorption est très rapide, puisque le faisceau qui se propage en zigzag a de multiples occasions d'intercepter la fibre.

Cette méthode nécessite néanmoins un bon état de surface des faces latérales du disque, en particulier pour l'usage de la RTI.

Une autre méthode, représentée sur la figure 6, consiste à collimater dans le plan perpendiculaire à la surface du disque 202 et des barrettes 205 le faisceau émis par cette barrette, à l'aide d'une lentille cylindrique 209 par exemple pour avoir un faisceau sensiblement parallèle dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur du disque. Cette lentille peut être une optique de couplage plus élaborée. On peut aussi, en éloignant un peu plus la barrette, utiliser une optique de couplage permettant de faire de l'imagerie. Le faisceau pénètre ainsi totalement dans le disque et se propage en principe en propagation libre vers la face radiale de l'évidement intérieur 211, revêtue de la couche réfléchissante 208. Ce schéma est

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toutefois très théorique, et compte tenu de divers effets et imperfections, en particulier la diffraction, on observe au moins quelques rebonds sur la surface latérale, correspondant à une propagation guidée nécessitant un bon état de surface des faces du disque pour utiliser soit la RTI, soit un revêtement réfléchissant. Le retour du faisceau s'effectuera sensiblement dans les mêmes conditions, et le pompage de la fibre se fera en grande partie par intersection directe du faisceau dans les deux sens de propagation. Ceci permettra non seulement d'assurer le confinement du faisceau de pompage dans l'intérieur du disque, mais aussi de pouvoir placer le disque contre un refroidisseur métallique, ou même de le mettre directement au contact d'un liquide caloporteur afin d'assurer un refroidissement très efficace de la surface de ce disque pour permettre d'utiliser des puissances de pompage extrêmement élevées.

Les différents paramètres définissant ce dispositif, en particulier les paramètres de dimensionnement définis sur la figure 7 seront choisis pour maximiser l'absorption du rayonnement de pompage par la fibre.

En ce qui concerne le dopage de celle-ci, on choisira de préférence la valeur maximale techniquement possible. Dans ces conditions on pourra obtenir un coefficient d'absorption supérieur à 10 dB/cm, soit a=2, 3 cm-l, pour un pompage aux environs de 980 nm.

L'absorption maximale est obtenue bien entendu lorsque le guide d'onde, qui est ici le coeur de la fibre, intercepte le plus possible dans toute sa longueur le faisceau de pompage.

Pour maximiser cette interception, on augmentera au maximum la taille du guide d'onde, tout en réduisant au minimum l'espacement entre les spires de celui-ci, ainsi que l'épaisseur totale du

disque. Ceci revient à maximiser le rapport (surface guide d'onde)/e, g sep.

En ce qui concerne la taille du guide d'onde, on est limité par l'apparition de l'émission multimode, généralement indésirable tout au moins pour des ordres élevés. On arrive, en diminuant la variation de l'indice, à garder une émission monomode jusqu'à un

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diamètre d'environ 20 um. On peut néanmoins étendre cette valeur jusqu'à 40 à 50 microns en modulant de manière plus complexe la structure radiale de l'indice de la fibre, et en tolérant quelques modes supplémentaires. En outre, la structure en spirale du dispositif selon l'invention permet de favoriser le mode fondamental car la courbure de la spirale entraîne des pertes par radiation pour les modes d'ordres élevés.

La réduction de l'espace entre les spires est limitée par la nécessité d'éviter le couplage de l'énergie entre deux spires adjacentes. Le calcul théorique est possible, mais plus simplement l'expérimentation a montré qu'un intervalle équivalent à quelque fois la taille du guide d'onde est suffisant pour éviter le couplage pour le mode fondamental. Pour une fibre dont le diamètre a été déterminé ci-dessus, un espacement de 100 um est suffisant.

La limite inférieure de l'épaisseur du disque est essentiellement fixée par la méthode de fabrication de celui-ci, qui sera décrite plus loin. Elle est typiquement de l'ordre d'une centaine de um.

Dans un exemple de réalisation, on a pris les valeurs de paramètres suivants : - Diamètre du guide : d=50 um - Epaisseur du disque : ep= 100 um - Espace interguide : eig = 100 um.

Dans cet exemple de réalisation, correspondant à la figure 6, le pompage s'effectue sur l'extérieur du disque à l'aide d'une lentille 209 permettant de réduire la divergence et d'obtenir le couplage. On supposera alors que la répartition du faisceau est uniforme dans toute l'épaisseur du disque. Ce cas est le plus défavorable, puisqu'il correspond à un chemin optique pour lequel le recouvrement entre le faisceau de pompage et la fibre est minimal.

Compte tenu de ce recouvrement entre le faisceau de pompage et la fibre, le coefficient effectif d'absorption, défini comme étant le coefficient pour lequel l'énergie du faisceau de pompage subit une atténuation de 1/e après un simple passage (soit une absorption de 63% de l'énergie) et donc une absorption à 86 % de

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l'énergie pour un double passage, est égal à 2 dB/cm, soit au, =0, 46 cm'. Cette valeur permet de définir le rayon r de la couronne, par la formule : r = r2-rl =1/aeff = 2, 2 cm.

On remarque que l'on peut alors choisir arbitrairement l'un des deux rayons interne rl et externe r2 de la couronne 201. L'autre rayon est donné par différence avec r.

Ceci permet de faire varier le couplage des diodes dans le plan horizontal en intervenant au niveau de la lentille de collimation 209, sur la longueur de la structure guidée, et sur la courbure du guide d'onde, ce qui permet de contrôler les pertes optiques.

En prenant par exemple une valeur de 1 cm pour rl, r2 est égal à 3,2 cm, ce qui correspond à un diamètre total pour le disque de 6,4 cm. Un tel diamètre permet de disposer autour de la périphérie du disque largement plus d'une dizaine de barrettes de diodes, qui émettent chacune environ 50 watts. Ces barrettes ayant environ 1 cm de large, la limite se situe aux alentours de 20 barrettes.

Dans ces conditions, la longueur L du guide d'onde est sensiblement égale à 29 m. Cette longueur est tout à fait comparable à celle des fibres à double gaine utilisées dans les lasers connus. Elle n'est donc en rien préjudiciable par rapport à ceux-ci.

En outre si la lumière de pompage effectue des réflexions multiples à l'intérieur du disque, cela revient à augmenter la longueur parcourue par cette lumière sans changer les dimensions de la spirale, ce qui augmente l'efficacité du pompage pour une même longueur, et donc une même atténuation, de la spirale.

L'entrée et la sortie du guide d'onde spiralé s'effectuera de manière préférentielle à l'aide d'une fibre optique. Si le guide est formé avec une fibre optique enroulée en spirale, on laissera les extrémités de cette fibre dépasser du disque de confinement. Dans les autres cas, on utilisera des morceaux de fibre optique qui seront de manière préférentielle placés directement contre les extrémités du guide spiralé. Pour relier ces fibres aux organes extérieurs au dispositif selon l'invention, on peut utiliser différentes méthodes telles que par

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exemple des fibres optiques 1102 et 1012 comme représenté sur la figure 11, ou une optique de couplage, formée par exemple des lentilles 1202 et 1212 représentées sur la figure 12, qui permette une transformation du faisceau libre en faisceau guidé et vis et versa.

Le dispositif selon l'invention ainsi décrit fonctionne fondamentalement comme un amplificateur. Il peut aussi fonctionner comme un oscillateur, c'est-à-dire en insérant le guide d'onde 202 dans une cavité résonnante optique.

Pour obtenir une telle cavité résonante optique on peut utiliser diverses méthodes, comme par exemple déposer directement des miroirs 801 et 802, diélectriques par exemple, sur les extrémités des fibres d'entrée-sortie 202, ainsi que représenté sur la figure 8. Une autre méthode consiste, comme représenté sur la figure 9, à réaliser sur une certaine longueur des miroirs de Bragg 901 et 902 obtenus par inscription directe dans les fibres, selon une méthode connue.

Une autre méthode, représentée sur la figure 10, plus complexe mais plus versatile, consiste à utiliser des miroirs 1001 et 1002 qui sont couplés aux extrémités des fibres 202 à l'aide de lentilles discrètes 1003 et 1004. De cette manière on peut insérer sur le trajet libre entre les lentilles et les miroirs, des organes divers tel qu'un polariseur ou un modulateur ou encore un cristal non linéaire. Ces organes permettent d'obtenir de manière connue des fonctionnements particuliers, tels qu'un fonctionnement par mode bloqué ou déclenché ou encore un doublement de fréquence ou une oscillation paramétrique.

Pour fonctionner en amplificateur proprement dit, on injecte à l'une des extrémités du guide d'onde 202 le signal optique à amplifier et on récupère à l'autre extrémité ce signal amplifié. Dans ce mode de fonctionnement les extrémités des fibres 202 seront de préférence soumises à un traitement antireflet centré sur la longueur d'onde optique utilisée, ou coupées en biais par rapport à l'axe de la fibre selon une méthode connue.

Pour réaliser le disque 201 muni des moyens de guidage optiques 202, on peut utiliser différentes méthodes.

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L'une de ces méthodes, représentée schématiquement sur la figure 13, consiste à utiliser, comme dans l'exemple décrit plus haut, une fibre laser 202 que l'on dénude en éliminant la gaine polymère de protection généralement utilisée pour ces fibres. On enroule ensuite la fibre sur un support 131 formant moule. Ce support a la forme d'une couronne cylindrique de dimensions supérieures à celles de la couronne 201 à obtenir et comportant sur sa face latérale supérieure une cavité 132 dont les dimensions sont celles de cette couronne 201. On coule ensuite sur la partie supérieure de cet ensemble de la silice épaisse en solution, en utilisant une technique connue utilisée notamment pour la sérigraphie. La solution de silice est suffisamment épaisse pour ne pas s'écouler à l'extérieur du support et former une surépaisseur au-dessus de la fibre, tout en étant suffisamment fluide pour s'introduire dans les espaces interspires et éventuellement dés ce stade former avec la fibre 202 une masse compacte. L'ensemble monobloc ainsi obtenu a une épaisseur qui dépasse les 100 um.

On peut ensuite, selon les matériaux utilisés, procéder à une homogénéisation de l'ensemble en procédant à un traitement thermique consistant à chauffer l'ensemble à une température et pendant une durée suffisantes.

On procède alors à un polissage de la surface supérieure de l'ensemble, qui ramène le niveau du bloc fibre/couche de silice à celui de la surface supérieure du support-moule 131. Le bloc formé de la fibre 202 noyée dans la matrice 133 est alors démoulé du support 131, puis poli sur sa face inférieure pour arriver à la côte souhaitée.

Pour le cas où la solution de silice ne serait pas assez fluide pour former une masse suffisante sur le dessous de la spirale, on recommence les opérations en retournant le bloc après le polissage de la face supérieure et en coulant sur l'ancienne face inférieure, devenue alors supérieure, une autre couche de silice. En utilisant le même moule, on gardera le trou central. Si par contre on souhaite ne pas avoir ce trou central, on pourra le boucher à ce stade, en utilisant alors un autre moule ne comportant pas de bossage central.

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Dans une dernière étape, on procède aux traitements de surface nécessaires selon la manière dont on utilisera la couronne ainsi obtenue, en appliquant par exemple des revêtements antireflet ou réfléchissants 207,208, et 210.

Une deuxième méthode, représentée schématiquement sur la figure 14, consiste à enrouler, comme dans la première étape de la première méthode, une fibre 202 dénudée de sa gaine plastique dans un support 141 formant moule. Ce support est toutefois plus épais que le support 131, de manière à ce que ses rebords dépassent le niveau de la fibre qui est logée à l'intérieur.

On fait ensuite descendre à l'intérieur de la cavité contenant la fibre 202 une contre-plaque 142 usinée pour s'encastrer dans cette cavité où est placée la fibre. L'ensemble est ensuite placé dans un four, symbolisé schématiquement par le pointillé 143, et est porté à une température permettant de ramollir la fibre sans la faire fondre. Cette température sera par exemple comprise entre 1200 et 1600 OC. Simultanément on applique sur la contre plaque 142, à l'aide d'un piston 144, une pression suffisante pour faire fluer les parties extérieures de la fibre ainsi ramollie et lui faire prendre la forme d'une couronne cylindrique formant la pièce 201 recherchée. Ce fluage entraîne une légère déformation du coeur de la fibre, qui prend alors une ellipticité sensiblement égale à 1,25. Cette déformation n'entraîne pas de conséquences importantes sur le fonctionnement de l'ensemble.

Après refroidissement, on démoule l'ensemble et on procède au polissage puis au dépôt des traitements nécessaires.

Une troisième méthode consiste à partir d'une couronne en silice monolithique dans laquelle on inscrit le guide d'onde souhaité en effectuant une modification locale de l'indice du matériau à l'aide d'un faisceau laser émettant des impulsions très courtes du type femtoseconde dont la puissance crête est très importante et l'énergie de l'ordre de quelques nanojoules, se répétant à une très haute cadence, de l'ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mégahertz. Ce procédé, qui a notamment été décrit dans la demande de brevet français no 0009973 déposée par la

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demanderesse le 28 juillet 2000, permet de réaliser une structure guidée à l'intérieur d'un matériau initialement monolithique dans un temps raisonnable. En effet la vitesse de fabrication peut être de l'ordre de 20 mm par seconde, ce qui permet de réaliser une structure selon l'invention dans un temps n'excédant pas 1 h. La variation d'indice local se fait à l'endroit de focalisation du faisceau laser d'inscription utilisé, ce qui permet de faire varier en hauteur l'emplacement du guide à l'intérieur de la couronne. De cette manière, on peut placer les extrémités du guide obtenu aux niveaux les plus adéquats pour pouvoir extraire ou injecter l'énergie optique dans ce guide, en utilisant par exemple des fibres optiques soudées au niveau de ces extrémités, ou tout autre système optique connu permettant d'obtenir ce couplage.

La forme essentiellement plate des dispositifs selon l'invention ainsi décrits leur confère une caractéristique modulaire qui permet de les assembler facilement, pour augmenter l'amplification et/ou la puissance disponible.

Ainsi, comme représenté sur la figure 3, où les différents organes sont représentés éclatés pour avoir une meilleure compréhension de l'ensemble, on peut empiler 2 dispositifs identiques 151 et 152 en réunissant la sortie de l'un à l'entrée de l'autre par une fibre externe 153. Comme chaque dispositif individuel présente en fonctionnement une structure symétrique, c'est-à-dire que l'entrée et la sortie sont interchangeables, cette liaison peut très bien s'effectuer entre les deux extrémités centrales de chacun des dispositifs 151 et 152. Selon les besoins de refroidissement nécessaires, on laissera un intervalle entre les dispositifs de manière à pouvoir assurer le refroidissement des faces en regard. Les moyens de refroidissement utilisables pourront être par exemple une circulation naturelle ou forcée d'un fluide, ou bien même un radiateur 154 comportant un serpentin parcouru par un liquide de refroidissement et sur lequel sont plaqués les deux dispositifs. On peut ainsi empiler un grand nombre de modules pour obtenir une puissance finale considérable.

Dans le cas d'un amplificateur, on insérera le cas échéant sur la fibre 153 reliant deux modules successifs un composant isolateur

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optique 155 permettant d'éviter la mise en oscillation de l'ensemble, provenant par exemple d'une amplification trop importante.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'amplification optique à propagation guidée, comprenant un guide d'onde dopé (202) et des moyens de pompage optique (206) de ce guide d'onde, caractérisé en ce que le guide est disposé sous la forme d'une spirale plate noyée dans un disque circulaire plat (201) en matériau optique compatible avec le matériau du guide, et en ce que les moyens de pompage sont disposés sur au moins la périphérie extérieure du disque.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de pompage sont formés de barrettes de lasers (206).

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de pompage (206) sont couplés directement à la périphérie du disque (201) pour que la propagation de l'énergie lumineuse émise par les moyens de pompage se fasse à l'intérieur du disque par réflexion sur les parois latérales de celui-ci.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la périphérie du disque est usinée pour présenter des facettes qui permettent de maximiser le couplage entre les moyens de pompage (206) et le disque (201).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de pompage (206) sont couplés à la périphérie du disque (201) par l'intermédiaire d'un dispositif optique de collimation ou d'imagerie (209) pour que la propagation à l'intérieur du disque se fasse essentiellement de manière directe et quasi-parallèle.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le disque est percé d'un trou central pour former une couronne, en ce que les moyens de pompage (206) sont disposés sur la

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périphérie extérieure de cette couronne (201) et en ce que la périphérie intérieure de celle-ci est aménagée pour permettre de faire réfléchir le rayonnement de pompage (208) afin de lui faire effectuer au un aller- retour à l'intérieur de la couronne.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la périphérie intérieure du trou central (211) est recouverte d'un revêtement réfléchissant (208).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les extrémités du guide d'onde (202) sont munies de moyens réfléchissants pour le faire fonctionner en laser.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le guide d'onde (202) est formé d'une fibre optique comportant uniquement un coeur et sa première gaine optique, et en ce que le matériau constituant le disque (201) est de la silice.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le guide d'onde optique (202) est intégral avec le matériau optique constituant le disque (201) ; les caractéristiques définissant le guide d'onde ayant été obtenues par une modification locale du matériau de la couronne effectuée par l'intervention d'un rayonnement extérieur.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement en contact étroit avec les faces du disque (201).

12. Dispositif d'amplification optique à propagation guidée, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de dispositifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.

13. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on dénude une fibre optique (202), qu'on l'enroule sous la forme

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d'au moins une spirale plate dans un support creusé en forme de moule (131), qu'on noie la spirale dans un gel de silice (133), qu'on polit la masse de silice pour obtenir une première face du disque, qu'on démoule cet ensemble, et qu'on polit l'autre face de l'ensemble pour obtenir la deuxième face du disque.

14. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'après avoir démoulé l'ensemble une première fois, on le retourne et on coule une autre couche de gel de silice pour achever de noyer la spirale dans ce gel.

15. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on dénude une fibre optique (202), qu'on l'enroule en spirale dans un support formant moule (141), qu'on vient exercer une pression sur cette spirale à l'aide d'une contreplaque (142) venant s'encastrer dans ledit moule, qu'on soumet l'ensemble à une température permettant le fluage de la partie extérieure de la fibre pour constituer ledit disque, et qu'après démoulage on polit les faces du disque.

16. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on fabrique un disque monolithique en matériau optique dopé et que l'on inscrit le guide d'onde (202) en forme de spirale dans le sein de ce disque en utilisant un laser de puissance du type femtoseconde.