FR2935554A1 - Dispositif laser a fibre de forte puissance moyenne - Google Patents

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 coeur et une gaine de pompage, la fibre étant dopée avec un dopant de terre rare, caractérisé 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 À FIBRE DE FORTE PUISSANCE MOYENNE [1] 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 [2] 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 [3] 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. [4] 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 25 avantageusement utilisée dans les domaines de la biologie, de la chirurgie ou de la médecine. [7] 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. [8] 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. [9] 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. [10] 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 fibrés dopés aux ions Erbium ou Ytterbium, en régime continu, déclenché, ou d'impulsions ultra-courtes. [11] Aujourd'hui, cette bande spectrale à sensiblement 976 nm dans l'infrarouge est obtenue à partir de diode laser à semi-conducteurs. [12] Ces diodes lasers se rapportent, de préférence, à des diodes lasers 20 monomodes transverses (faible puissance) et/ou à des diodes lasers de puissances (multimode). [13] 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 25 de fabrication. [14] 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 Conference Digest, ThA6, pp. 45-6 (2004) , de N.Lichtenstein, Y.Manz, P.Mauron, A.FiIy 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 m. [17] Cependant dans cet amplificateur, la puissance générée est limitée à quelques watts du fait de la faible surface émettrice. [18] 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. [19] Une telle solution est décrite dans une publication intitulée Nearlydiffraction limited 980 nm tapered laser diode lasers with an output power of 6.7 W , paru dans le document Conference 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.Trânkle. [20] 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 l'échauffement de la structure et la puissance de pompage. [21] De plus, une telle solution est d'une mise en oeuvre difficile, coûteuse, d'un encombrement élevé et souffre d'un manque de fiabilité car elle nécessite un alignement délicat. [22] De surcroît, la puissance maximale qu'un tel laser peut délivrer est limitée 5 à environ 10 W. [23] 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, l'émission directe du rayonnement à 488 nm par une technologie à Ar est limitée à quelques W. 10 [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 15 [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. 20 [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) 25 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 (û30kW/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 (coeur de la fibre), il a été tout d'abord proposé d'injecter directement l'onde de pompe dans le coeur 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 coeur 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 û 25 pm, 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. Yllâ Jarkko, R.Selvas, D.B. Soh, J.K. Sahu, C.A. 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).] [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 pm et 800 pm sous une ouverture numérique de sensiblement 0.22. Par l'emploi de ces diodes plus puissantes, Il 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 coeur de la fibre dopée doit présenter un coeur de diamètre limité. La fibre utilisée dans la publication [K.H.

Yllâ Jarkko, R.Selvas, D.B. Soh, J.K. Sahu, C.A. 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 coeur de 9pm de diamètre. [31] Actuellement, les technologies de fibres classiques ne permettent pas de dépasser des diamètres de coeur de l'ordre de 12 pm pour demeurer limité par la diffraction. Ainsi, le recouvrement entre l'onde de pompe se propageant dans la gaine de pompe et le coeur dopé est très petit. [32] Compte tenu de ce faible recouvrement entre onde de pompe et coeur dopé, les longueurs de fibre nécessaires pour absorber l'onde de pompe injectée 25 sont typiquement de plusieurs mètres, voire dizaine de mètres [33] 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.0 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 û 1100 nm. Cependant, une fibre réalisant cette condition, compte tenu de la section limitée de son coeur, 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 [35] 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. [36] L'invention propose d'améliorer les dispositifs laser à fibre à haute puissance par l'utilisation d'une fibre dopée dont le diamètre de coeur 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. [37] Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif laser à fibre émettant un rayonnement monomode transverse contrôlé à une longueur d'onde 25 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 coeur 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 intracavité 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 ù 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 susceptible d'être directement soudée à la fibre amplificatrice à large coeur. - 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 coeur de la fibre amplificatrice, un réseau massif externe, un prisme, un réseau de Bragg photoinscrit dans le coeur de la fibre amplificatrice ou un réseau de Bragg externe à la fibre amplificatrice ; - la fibre est une fibre large aire modale ou une fibre LMA ; - le diamètre de la gaine de pompage est compris entre 50 et 400 m ; - le coeur et la gaine sont concentriques ; - le coeur a un diamètre supérieur 12 m ; - 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 coeur; - 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 coeur 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 û 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 pm et 800 m.

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. [39] 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 [40] 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 [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 m et une ouverture numérique NA=0,22. 20 [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. [44] Les optiques sélectives se rapportent à deux miroirs dichroïques 11 et 12. [45] 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. [46] Une section de cette fibre est illustrée à la figure 2. [47] 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. [48] 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. [49] 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 oeuvre 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, Il a donc une meilleure résolution pour des applications de marquage. [52] Cette fibre optique est dopée avec un ion de terre rare qui est dans ce mode de réalisation principalement l'ytterbium. [53] C'est donc une fibre optique dopée ytterbium (Yb) ultra large coeur 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. 3+ [55] 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. [56] Cette figure 3A illustre, notamment, que la section efficace d'absorption de l'ytterbium dans les verres est largement plus importante que la section efficace d'émission. [57] 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. [58] 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. [59] 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. [60] 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, Il 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+ [61] 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. [62] Cette fibre dopée à l'ytterbium utilisée pour cette transition est une fibre monomode transverse présentant des dimensions record (diamètre de 80 pm) pour une fibre monomode. Des dimensions aussi extrêmes du coeur 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 coeur dopé et permettant d'obtenir une ouverture numérique de coeur de l'ordre de 0.01. [63] Le signal à sensiblement 977 nm se propage dans le coeur dopé de diamètre de 80 pm et la pompe à sensiblement 915 nm se propage à l'intérieur de la gaine optique d'un diamètre de 200 pm 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 coeur (>2pm) suivant un motif qui préserve la symétrie de la fibre autour de son axe longitudinal. [64] On précise que les dimensions des trous définissant respectivement le coeur et la gaine de la fibre peuvent être ajustés en fonction des caractéristiques de guidage désirées : diamètre de coeur, ouverture numérique de la gaine ou du coeur. [65] 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. [66] Elle permet, grâce à un recouvrement pompe-coeur 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 û 1100 nm suffisamment faible pour être compensé par l'ensemble (5) des éléments sélectifs en longueur d'onde [067] Dans ce dispositif, la diode laser 2 émet un rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 910 et 940 nm. [68] 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 50à 800pm. [69] 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. [070] 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 coeur 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. [071] 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 400pm 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 pm 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. [072] Dans une configuration particulière, ces deux lentilles peuvent être des microlentilles, cylindriques, elliptiques, ou hyperboliques, ou des condenseurs asphériques. [073] 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 coeur. - 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 l' autre extrémité ayant le diamètre de la gaine de la fibre amplificatrice; 25 [074] 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 coeur dopé 6. [075] A la figure 2, la fibre présente une géométrie qui permet une propagation monomode dans le coeur 19 et multimode dans la gaine de pompage. Le rapport entre les diamètres du coeur 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 coeur dopé 19 de 80 pm. De telles dimensions du coeur 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 coeur de l'ordre de 0.01. [76] Le signal à sensiblement 977 nm se propage dans le coeur dopé de diamètre de 80 pm 19 et la pompe à sensiblement 915 nm se propage à l'intérieur de la gaine optique d'un diamètre de 200 pm avec une grande ouverture numérique supérieure à 0,7. [77] Cette gaine est définie par une microstructure remplie d'air 18. Cette microstructure 18 comporte des trous beaucoup plus gros que ceux définissant le coeur (>2pm) suivant un motif qui préserve la symétrie de la fibre autour de son axe longitudinal. [78] Pour des puissances plus faibles, il est possible d'utiliser des coeurs plus petits. Le rapport entre les surfaces transverses du coeur dopé 19 de la fibre 6 et de la gaine de pompe 18 doit rester dans l'intervalle 5-10 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 pm. [79] La fibre amplificatrice présente une propagation monomode du faisceau dans le coeur dopé à la longueur d'onde de sensiblement 977 nm. [080] La fibre est intrinsèquement à maintien de polarisation ou simplement maintenue dans une position fixe. Le coeur 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 coeur dopé de la fibre 18 présente un diamètre supérieur à 12 pm. Il s'agit donc d'une fibre à large aire modale ou fibre LMA (Large Mode Area). [82] 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 û 1100nm soit maintenu inférieur à 60dB. [83] 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 11W. Cette puissance correspond à des intensités de transparence de 30kW/cm2 et une section transverse de la gaine de pompage 18 de 31500pm. [84] Dans ce mode de réalisation , le gain à 1030nm est sensiblement de 50 dB. [85] L'onde de pompe résiduelle en sortie de la gaine de pompage ainsi que l'onde laser sortant du coeur de la fibre amplificatrice 6 sont alors collimatées par un moyen optique 10. [86] 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. [87] 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. [88] 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. [89] Dans une autre configuration, ce moyen de recyclage de la pompe peut être un réseau de Bragg photo-inscrit dans le coeur de la fibre, ou un réseau de Bragg massif en espace libre, ou un prisme, ou un réseau. [90] Un miroir dichroique 13 est placé entre les deux moyens optiques 14 et 15.

Ce miroir dichroïque est totalement réfléchissant autour de 977 nm et totalement transparent à la longueur d'onde de pompe. [91] 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 coeur 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 coeur, 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 ù 1100 nm, et le miroir de fond de cavité 11 qui présente une transmission >99% dans la bande 1010 nm ù 1100 nm. [094] Au total, cet ensemble inflige des pertes suffisantes dans la bande 1010 nm ù 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 coeur de la fibre absorbant dans la bande 1010 nm- 1100 nm, ou - un réseau de Bragg photo-inscrit dans le coeur de la fibre ou un réseau de Bragg massif extérieur à la fibre. - un prisme ou un réseau [96] 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. [97] Le laser 7 délivré est un faisceau 7 monomode transverse aux alentours de 976nm qui est très puissant. [98] Le dispositif, par la combinaison : - d'une fibre dopée Yb ultra large coeur 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 5 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 10 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 15 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. 20 [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 12,11, l'émission parasite à 1030 nm est 35dB au-dessous du signal maximal du laser à 977 nm. 25 [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 coeur très fortement augmenté par rapport aux diamètres de fibres monomodes standards (c'est-à-dire présentant des coeurs de diamètre <12pm). Le diamètre du coeur est choisi entre 12 pm et 200 pm. Pour atteindre les très fortes puissances, l'invention met en oeuvre l'utilisation des fibres optiques spéciales à large aire modale (LMA) à saut d'indice ou micro-structurées, pouvant présenter des diamètres de coeur record > allant jusqu'à 80pm 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 oeuvre 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 (24)

1. REVENDICATIONS1. 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 coeur et une gaine de pompage, la fibre étant dopée avec un dopant de terre rare, caractérisé 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, 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. 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. 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. 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. 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. 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 coeur de la fibre amplificatrice, un réseau massif externe , un prisme, un réseau de Bragg photoinscrit dans le coeur de la fibre amplificatrice ou un réseau de Bragg externe à la fibre amplificatrice.
7. 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. 8. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans lequel le diamètre de la gaine de pompage est compris entre 50 pm et 400 m.
9. 9. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le coeur et la gaine sont concentriques.
10. 10. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le coeur a un diamètre supérieur 12 m. 30
11. 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. 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 coeur.
13. 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. 15
14. 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. 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 20 de silice pur de diamètre externe supérieur à I mm.
16. 16. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la fibre (6) est souple. 25
17. 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. 30
18. 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 coeur dopé.
19. 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. 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. 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 60dB.
22. 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. 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. 24. Dispositif laser à fibre selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans lequel l'onde de pompe est couplée à une fibre multimode ayant un diamètre compris entre 50 m et 800 m.20