FR3018144A1 - HYBRID OPTICAL AMPLIFICATION DEVICE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (10) d'amplification optique hybride apte à amplifier un signal d'entrée (S) impulsionnel et présentant une longueur d'onde signal (AO) comprise entre 1 et 2.5 µm comprenant : -un coupleur à fibre (FC) configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée (S) et un signal de pompe (P) présentant une longueur d'onde pompe (λp), -une fibre optique amplificatrice (FA) dopée avec un ion terre-rare, configurée pour amplifier le signal optique d'entrée (S) de manière à générer en sortie un premier signal amplifié (SA1) et un signal de pompe résiduel (Pr), -un cristal amplificateur (CA) dopé avec ledit ion terre-rare et configuré pour amplifier le premier signal amplifié (SA1) de manière à générer un deuxième signal amplifié (SA2), -un adaptateur optique (OA) disposé entre une extrémité de sortie de la fibre amplificatrice (FA) et le cristal amplificateur (CA), configuré pour adapter le premier signal amplifié (SA1) et le signal de pompe résiduel (Pr) au cristal amplificateur (CA).The invention relates to a device (10) for hybrid optical amplification adapted to amplify an input signal (S) pulse and having a signal wavelength (AO) of between 1 and 2.5 microns comprising: -a fiber coupler (FC) configured to inject into the same fiber the input signal (S) and a pump signal (P) having a pump wavelength (λp), an amplifying optical fiber (FA) doped with an earth ion -rare, configured to amplify the input optical signal (S) so as to output a first amplified signal (SA1) and a residual pump signal (Pr), -a boost crystal (AC) doped with said ground ion -Rare and configured to amplify the first amplified signal (SA1) to generate a second amplified signal (SA2), -An optical adapter (OA) disposed between an output end of the amplifying fiber (FA) and the amplifying crystal ( CA), configured to adapt the first amplified signal (SA1) and the residual pump signal (Pr) to the boost crystal (CA).
Description
Dispositif d'amplification optique hybride DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des sources lumineuses dans le proche infrarouge, typiquement des longueurs d'onde comprises entre 1 pm et 2.1 pm, réalisées à partir d'un oscillateur laser amplifié à l'aide de composants optiques, fibres ou cristal, dopés avec des ions terre-rare, typiquement des ions Erbium, Ytterbium, Thulium, Holmium.FIELD OF THE INVENTION The invention relates to the field of near-infrared light sources, typically wavelengths between 1 μm and 2.1 μm, produced from an amplified laser oscillator. using optical components, fibers or crystals, doped with earth-rare ions, typically Erbium, Ytterbium, Thulium, Holmium ions.
Plus particulièrement l'invention concerne les sources laser pour applications LiDAR pour « Light Detection and Ranging » en terminologie anglo-saxonne, ou industrielles (usinage, marquage), à base d'impulsions nanosecondes, de durée comprise typiquement entre 0.1 ns et 1000 ns, et présentant une puissance crête élevée, typiquement comprise entre 100 kW et 10 MW. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour des applications LIDAR on cherche à disposer de sources laser impulsionnelles nanosecondes émettant dans le proche infrarouge avec une puissance crête élevée. Le domaine nanoseconde permet de maximiser la puissance crête tout en restant compatible avec les systèmes de détection existants (photodiodes à avalanche par exemple). La gamme spectrale vers 1,5 pm, dite à sécurité oculaire, présente à ce titre un intérêt particulier.. On souhaite de surcroît pouvoir contrôler le profil des impulsions afin de pouvoir l'adapter à différentes applications et situations. Par exemple, la génération d'impulsions nanosecondes voire sub-nanosecondes permet une résolution de distance centimétrique qui ouvre la voie à l'imagerie 3D et permet de révéler des objets partiellement cachés. Inversement, des impulsions de 100-1000 ns sont nécessaires lorsque l'on souhaite mettre en place une détection cohérente pour la mesure de vitesse par effet doppler. Il a aussi été montré que la possibilité de moduler en intensité, en phase, ou en fréquence une impulsion nanoseconde pouvait permettre un traitement de type Radar à la réception et améliorer la résolution temporelle pour une durée d'impulsion donnée, et l'extraction d'informations telles que la vitesse radiale même en détection incohérente. Le niveau de puissance crête requis dépend de la portée recherchée et varie 5 donc suivant l'application, mais celui-ci peut dépasser 1 MW (106 Watts) pour une portée supérieure à 10 km. Ainsi, on cherche à disposer d'une architecture de source laser capable de générer des impulsions nanosecondes de forte puissance crête dans le proche infrarouge et permettant un contrôle de la forme d'onde en sortie de 10 la source laser. Pour cela on utilise des sources lasers et des amplificateurs dopés avec différents ions terres-rares permettent d'accéder à différentes bandes spectrales du proche infrarouge. L'ion Ytterbium Yb3+ permet une émission vers 1-1.1 pm, l'ion Erbium Er3+ une émission vers 1.5-1.6 pm, l'ion Thulium 15 Tm3+ une émission vers 1.9-2.0 pm, et l'ion Holmium Ho3+ une émission vers 2.05-2.15 pm. L'émission de l'ion Er3+ vers 1.5-1.6 pm présente un intérêt particulier pour la réalisation de sources à sécurité oculaire et est compatible avec l'utilisation de détecteurs sensibles non refroidis à base d'InGaAs. 20 La technologie laser à fibre, schématisée sur la figure 1, répond en partie au besoin évoqué. On part d'un oscillateur OL de faible puissance, par exemple une diode laser fibrée émettant 10 mW crête, émettant un signal Sinit dont on contrôle simplement le profil temporel. Puis on utilise une chaîne d'amplification SA composée d'une série d'amplificateurs à fibre optique FA1, 25 FA2, FA3 (comme par exemple un EDFA pour « Erbium Doped Fiber Amplifier » en terminologie anglo-saxonne) qui génère des signaux amplifiés respectivement Sinit/A1, Sinit/A2 Sinit/A3. Chaque amplificateur est pompé par un laser de pompe, respectivement P1, P2>P1, P3>P2, dont l'intensité croît avec la densité de puissance du signal amplifié. 30 Par exemple l'utilisation d'amplificateurs à fibres dopées Erbium permet de concevoir une chaine d'amplification avec un gain très important (-70 dB). Ainsi, on aboutit à une puissance crête pouvant atteindre plus de 100 kW en utilisant par exemple trois amplificateurs en cascade. Dans une telle chaîne, illustrée figure 2, les différents étages d'amplification 35 et les composants inter-étages, coupleur pour le pompage CF1, CF2, CF3, isolateur optique 11, 12, 13, filtres passe-bande, sont reliés entre eux par fibre, ce qui confère à cette architecture une grande robustesse. Chaque étage dispose de sa propre pompe, le signal de pompe résiduel issu de l'étage inférieur étant généralement stoppé avec des filtres ou des absorbants. En effet, certains composants de la chaîne, par exemple des isolateurs optiques, ne transmettent pas à la longueur d'onde pompe et pourraient donc être endommagés. Pour des applications Lidar, il est important qu'un signal monomode se propage et soit amplifié jusqu'au bout de la chaîne pour obtenir une émission monomode pour le LIDAR avec un minimum de divergence (faisceau limité par la diffraction). La pompe peut se propager de façon monomode ou multimode. En pratique, pour un ampli de type EDFA standard avec une fibre à coeur monomode, le signal de pompe est monomode si la pompe est à 1480 nm mais légèrement multimode si celle-ci est à 980 nm, comme c'est souvent le cas dans les amplificateurs commerciaux. Afin de maximiser l'énergie extractible on cherche à augmenter successivement la taille du mode du signal à amplifier se propageant dans les amplificateurs en augmentant le diamètre du coeur Dc de la fibre tout en diminuant la différence d'indice Ln entre le coeur et la gaine, pour garantir une propagation monomode. En effet, on définit un paramètre V qui est une constante de propagation normalisée : V = -rr/À .Dc . ON rze Tr/À .Dc . V2. nl. An À longueur d'onde du signal optique se propageant dans la fibre Dc diamètre du coeur de la fibre ON ouverture numérique de la fibre n1 indice du coeur An différence d'indice entre la gaine et le coeur de la fibre. On démontre que V <2.4 pour une propagation monomode.More particularly, the invention relates to laser sources for LiDAR applications for "Light Detection and Ranging" in English terminology, or industrial (machining, marking), based on nanosecond pulses, of duration typically between 0.1 ns and 1000 ns. , and having a high peak power, typically between 100 kW and 10 MW. STATE OF THE ART For LIDAR applications, it is desired to have nano-second pulsed laser sources emitting in the near infrared with a high peak power. The nanosecond domain maximizes the peak power while remaining compatible with existing detection systems (eg avalanche photodiodes). The spectral range towards 1.5 pm, referred to as ocular security, has as such a particular interest. It is also desired to be able to control the profile of the pulses in order to adapt it to different applications and situations. For example, the generation of nanosecond or even sub-nanosecond pulses allows centimeter distance resolution that opens the way to 3D imaging and allows partially hidden objects to be revealed. Conversely, pulses of 100-1000 ns are required when it is desired to implement a coherent detection for Doppler velocity measurement. It has also been shown that the ability to modulate in intensity, in phase, or in frequency a nanosecond pulse could allow a Radar type processing on reception and improve the temporal resolution for a given pulse duration, and the extraction of information such as radial velocity even in incoherent detection. The level of peak power required depends on the range sought and therefore varies according to the application, but it can exceed 1 MW (106 Watts) for a range greater than 10 km. Thus, it is sought to have a laser source architecture capable of generating nanosecond pulses of high peak power in the near infrared and allowing control of the waveform at the output of the laser source. For this we use laser sources and amplifiers doped with different rare-earth ions allow access to different spectral bands of the near infrared. Ytterbium ion Yb3 + allows emission to 1-1.1 pm, Erbium ion Er3 + emission to 1.5-1.6 pm, Thulium ion Tm3 + emission to 1.9-2.0 pm, and Holmium ion Ho3 + emission to 2.05-2.15 pm. The emission of the Er3 + ion towards 1.5-1.6 μm is of particular interest for the production of sources with ocular safety and is compatible with the use of uncooled sensitive detectors based on InGaAs. The fiber laser technology, shown schematically in FIG. 1, partly meets the need mentioned. Starting from a low power OL oscillator, for example a fiber laser diode emitting 10 mW peak, emitting a Sinit signal whose time profile is simply controlled. Then an amplification chain SA composed of a series of optical fiber amplifiers FA1, FA2, FA3 (such as for example an EDFA for "Erbium Doped Fiber Amplifier" in English terminology) which generates amplified signals is used. respectively Sinit / A1, Sinit / A2 Sinit / A3. Each amplifier is pumped by a pump laser, respectively P1, P2> P1, P3> P2, whose intensity increases with the power density of the amplified signal. For example, the use of Erbium doped fiber amplifiers makes it possible to design an amplification chain with a very large gain (-70 dB). Thus, it leads to a peak power of up to more than 100 kW using for example three amplifiers in cascade. In such a chain, illustrated in FIG. 2, the different amplification stages 35 and the inter-stage components, pumping coupler CF1, CF2, CF3, optical isolator 11, 12, 13, bandpass filters, are interconnected. by fiber, which gives this architecture a great robustness. Each stage has its own pump, the residual pump signal from the lower stage being generally stopped with filters or absorbents. Indeed, certain components of the chain, for example optical isolators, do not transmit at the pump wavelength and could therefore be damaged. For Lidar applications, it is important that a single-mode signal propagates and is amplified to the end of the chain to obtain monomodal emission for the LIDAR with a minimum of divergence (beam limited by diffraction). The pump can propagate singly or multimode. In practice, for a standard EDFA type amplifier with a monomode core fiber, the pump signal is monomode if the pump is at 1480 nm but slightly multimode if it is at 980 nm, as is often the case in commercial amplifiers. In order to maximize the extractable energy, it is sought to successively increase the size of the mode of the signal to be amplified propagating in the amplifiers by increasing the diameter of the core Dc of the fiber while decreasing the difference in index Ln between the core and the sheath. , to ensure monomode propagation. Indeed, we define a parameter V which is a normalized propagation constant: V = -rr / À .Dc. ON rze Tr / À .Dc. V2. nl. An At wavelength of the optical signal propagating in the fiber Dc core diameter of the fiber ON numerical aperture of the fiber n1 index of the core A difference in index between the sheath and the core of the fiber. It is shown that V <2.4 for a single-mode propagation.
La technologie usuelle MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) de fabrication des fibres ne permet pas de contrôler la différence d'indice en deçà d'environ 10-3. Cette limitation fait qu'il est difficile en pratique d'augmenter le diamètre du coeur des fibres dopées Erbium au-delà d'environ 20 pm tout en garantissant une propagation monomode, pour des longueurs d'onde du proche infrarouge, par exemple 1.5 pm, et une ouverture numérique de 0.06. De ce fait, l'énergie extractible est de l'ordre de quelques centaines de micro joules et la puissance crête limitée à une centaine de kW pour des 5 impulsions de 1 ns (référence 1). Ces valeurs limitent la portée à quelques kilomètres pour les applications LIDAR. D'autres technologies de fabrication des fibres permettent de diminuer la différence d'indice. C'est le cas par exemple de fibres micro-structurées pour 10 lesquelles la gaine est constituée de silice avec des trous d'air de dimension sub-longueur d'onde conférant à la structure un indice effectif légèrement inférieur à celui de la silice dopée du coeur. Néanmoins, si de telles structures permettent effectivement d'augmenter le diamètre du mode (par exemple jusqu'à 40 pm), le guidage optique est si faible qu'il devient 15 impossible de courber la fibre sans pertes, ce qui pose un problème d'encombrement pour de nombreuses applications. Pour dépasser les limitations liées à la technologie laser à fibre, il est possible de passer à la technologie des lasers à solides utilisant des cristaux 20 dopés par exemple Erbium en propagation libre. Dans ce cas, du fait des dimensions transversales importantes du cristal, on peut choisir librement le diamètre du mode et il est possible d'extraire beaucoup plus d'énergie. Par exemple, une architecture Er:YAG oscillateur/ amplificateurs émettant à 1645 nm et pompée à l'aide de diodes laser multimodes à 1470 nm a permis 25 d'obtenir 100 mJ avec des impulsions d'environ 100 ns. Dans ce cas l'oscillateur était un laser Er :YAG déclenché « Q-switched » générant des impulsions d'environ 50 mJ. Dans ce type de laser, un modulateur est inséré à l'intérieur de la cavité, qui empêche le laser de laser tant que le matériau n'est pas pompé au maximum. A cet instant le modulateur autorise l'effet 30 laser et toute l'énergie stockée dans la cavité est émise dans un temps court. Le gain des amplificateurs n'est que de 3 dB environ, dû à la longueur limitée des cristaux, quelques centimètres comparé à quelques mètres pour les fibres, et dans ce cas particulier à la faible densité de pompage résultant de l'utilisation de diodes laser multimodes.The standard fiber fabrication technology (MCVD) makes it impossible to control the index difference below about 10-3. This limitation makes it difficult in practice to increase the core diameter of the Erbium doped fibers beyond about 20 pm while guaranteeing monomode propagation for near-infrared wavelengths, for example 1.5 pm. , and a numerical aperture of 0.06. As a result, the extractable energy is of the order of a few hundred micro joules and the peak power limited to a hundred kW for pulses of 1 ns (reference 1). These values limit the range to a few kilometers for LIDAR applications. Other fiber manufacturing technologies can reduce the index difference. This is the case, for example, of micro-structured fibers for which the sheath is made of silica with air holes of sub-wavelength dimension conferring on the structure an effective index slightly lower than that of the doped silica. of the heart. Nevertheless, if such structures effectively increase the diameter of the mode (for example up to 40 μm), the optical guidance is so small that it becomes impossible to bend the fiber without loss, which poses a problem. congestion for many applications. To overcome the limitations associated with fiber laser technology, it is possible to switch to solid-state laser technology using doped crystals such as free propagation Erbium. In this case, because of the large transverse dimensions of the crystal, one can freely choose the diameter of the mode and it is possible to extract much more energy. For example, an Er: YAG oscillator / amplifier architecture emitting at 1645 nm and pumped using 1470 nm multimode laser diodes made it possible to obtain 100 mJ with pulses of about 100 ns. In this case the oscillator was a Q-switched triggered Er: YAG laser generating pulses of about 50 mJ. In this type of laser, a modulator is inserted inside the cavity, which prevents the laser laser until the material is pumped to the maximum. At this time the modulator allows the laser effect and all the energy stored in the cavity is emitted in a short time. The gain of the amplifiers is only about 3 dB, due to the limited length of the crystals, a few centimeters compared to a few meters for the fibers, and in this particular case the low pumping density resulting from the use of laser diodes multimode.
En pompant vers 1533 nm à l'aide d'un laser à fibre dopée erbium monomode, il a été démontré un gain de plus de 10 dB. Cela reste cependant insuffisant pour concevoir une chaine d'amplification uniquement basée sur cette technologie à partir d'un oscillateur de faible puissance. De fait, les études connues sur le sujet font appel à un oscillateur de type Q-switch délivrant des impulsions énergétiques (-100 pJ) pouvant ensuite être amplifiées au-delà d'une milli joule. Si la technologie laser solide permet de lever la limitation en énergie par impulsion et en puissance crête, elle présente en revanche un certain nombre d'inconvénients. En particulier, le recours à un oscillateur Q-switch suivi d'un amplificateur rend l'architecture complexe car faisant appel à de nombreux composants optiques ou électro-optiques dont l'alignement est critique. D'autre part, un inconvénient de ces lasers Q switch est que l'impulsion est peu maitrisée, et ne peut pas être modulée en phase et/ou en amplitude avec précision, contrairement aux structures à amplificateurs à fibre, dans lesquelles le faible signal de départ issu par exemple d'une diode laser peut être aisément modulé. Ainsi ce type d'oscillateur ne permet pas de générer des impulsions avec un profil temporel arbitraire, c'est-à-dire d'amplifier des formes d'onde complexes. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités, et plus particulièrement de réaliser un amplificateur hybride présentant les avantages des amplificateurs à fibre et permettant de délivrer une puissance crête bien supérieure à celle accessible en utilisant uniquement des amplificateurs à fibres, du même ordre de grandeur que celle accessible avec une technologie laser à solide, tout en conservant la capacité de traiter des formes d'onde complexes.By pumping around 1533 nm using a single-mode erbium-doped fiber laser, a gain of more than 10 dB was demonstrated. However, this remains insufficient to design an amplification chain based solely on this technology from a low power oscillator. In fact, the known studies on the subject use a Q-switch type oscillator delivering energy pulses (-100 pJ) that can then be amplified beyond one milli joule. Although solid laser technology makes it possible to eliminate the limitation in energy per pulse and in peak power, it presents a number of disadvantages. In particular, the use of a Q-switch oscillator followed by an amplifier makes the complex architecture because using many optical or electro-optical components whose alignment is critical. On the other hand, a disadvantage of these Q switch lasers is that the pulse is poorly controlled, and can not be precisely phase and / or amplitude modulated, unlike fiber amplifier structures, in which the weak signal starting from eg a laser diode can be easily modulated. Thus, this type of oscillator does not make it possible to generate pulses with an arbitrary temporal profile, that is to say to amplify complex waveforms. The object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks, and more particularly to achieve a hybrid amplifier having the advantages of fiber amplifiers and to deliver a much higher peak power than that accessible using only fiber amplifiers, the same an order of magnitude than that accessible with solid-state laser technology, while retaining the ability to process complex waveforms.
DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un dispositif d'amplification optique hybride apte à amplifier un signal d'entrée impulsionnel et présentant une 35 longueur d'onde signal comprise entre 1 et 2.5 dam comprenant : -un coupleur à fibre configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée et un signal de pompe présentant une longueur d'onde pompe, -une fibre optique amplificatrice dopée avec un ion terre-rare, connectée au coupleur à fibre, et configurée pour amplifier le signal optique d'entrée par 5 transfert d'énergie à partir du signal de pompe de manière à générer en sortie un premier signal amplifié et un signal de pompe résiduel, -un cristal amplificateur dopé avec ledit ion terre-rare et configuré pour amplifier le premier signal amplifié par transfert d'énergie à partir du signal de pompe résiduel, de manière à générer un deuxième signal amplifié, 10 -un adaptateur optique disposé entre une extrémité de sortie de la fibre amplificatrice et le cristal amplificateur, configuré pour adapter le premier signal amplifié et le signal de pompe résiduel au cristal amplificateur. Avantageusement, la fibre amplificatrice est monomode pour les longueurs d'onde signal et pompe. 15 Selon un mode de réalisation, le coupleur à fibre est configuré pour injecter dans une même fibre monomode le signal d'entrée et le signal de pompe. En variante, le coupleur à fibre comprend une fibre de transport directement connectée à la fibre amplificatrice. Avantageusement, l'ion terre rare est l'ion Erbium et dans lequel la longueur 20 d'onde signal est comprise entre 1532 nm et 1617 nm. Avantageusement, le cristal est un cristal de YAG. Selon un mode de réalisation, l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice est soudée à un embout dépourvu de coeur et dans lequel l'adaptateur optique comprend une lentille réfractive. 25 Selon un autre mode de réalisation, l'adaptateur optique comprend un segment de fibre à gradient d'indice directement soudé à l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice. En variante, le dispositif selon l'invention comprend en outre un polariseur disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart d'onde puis un 30 miroir du côté opposé dudit cristal amplificateur, de sorte que l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par double passage. En variante, le dispositif selon l'invention comprend en outre un isolateur optique disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart d'onde puis un miroir du côté opposé dudit cristal amplificateur, de sorte que 35 l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par quadruple passage.DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a hybrid optical amplification device adapted to amplify a pulse input signal and having a signal wavelength of between 1 and 2.5 dam comprising: a configured fiber coupler for injecting into the same fiber the input signal and a pump signal having a pump wavelength, an optical fiber amplifying amplifier doped with a rare-earth ion, connected to the fiber coupler, and configured to amplify the optical signal inputting by 5 energy transfer from the pump signal so as to output a first amplified signal and a residual pump signal, -an amplifying crystal doped with said rare-earth ion and configured to amplify the first signal amplified by energy transfer from the residual pump signal, so as to generate a second amplified signal, an optical adapter disposed between an end of nettle of the amplifying fiber and the amplifier crystal, configured to adapt the first amplified signal and the residual pump signal to the amplifier crystal. Advantageously, the amplifying fiber is monomode for signal and pump wavelengths. According to one embodiment, the fiber coupler is configured to inject the input signal and the pump signal into a single monomode fiber. Alternatively, the fiber coupler comprises a transport fiber directly connected to the amplifying fiber. Advantageously, the rare earth ion is the Erbium ion and wherein the signal wavelength is between 1532 nm and 1617 nm. Advantageously, the crystal is a YAG crystal. According to one embodiment, the output end of the amplifying fiber is soldered to a non-core bit and wherein the optical adapter comprises a refractive lens. According to another embodiment, the optical adapter comprises a graded index fiber segment directly welded to the output end of the amplifying fiber. Alternatively, the device according to the invention further comprises a polarizer disposed at the input of the amplifier crystal, and a quarter wave plate then a mirror on the opposite side of said amplifier crystal, so that the amplification of the first signal amplified by double pass. Alternatively, the device according to the invention further comprises an optical isolator disposed at the input of the amplifier crystal, and a quarter-wave plate and then a mirror on the opposite side of said amplifier crystal, so that the amplification of the first Amplified signal is made by quadruple pass.
Selon un autre aspect, l'invention porte sur un système d'amplification hybride comprenant le dispositif d'amplification hybride selon l'invention, ainsi qu'un oscillateur laser configuré pour générer un signal initial et un préamplificateur comprenant au moins une fibre amplificatrice configuré pour amplifier le signal initial et générer le signal d'entrée dudit dispositif. Avantageusement, l'oscillateur laser est une diode laser fibrée directement modulée en courant, ou modulée par un modulateur électro-optique externe. Selon un mode de réalisation, l'oscillateur laser est configuré pour générer io un signal initial comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. En variante, l'oscillateur laser est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en amplitude. Avantageusement, le système selon l'invention comprend en outre un laser 15 de pompe configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la fibre amplificatrice à la longueur d'onde de pompe. Avantageusement, le laser de pompe et l'oscillateur laser sont configurés 20 pour que respectivement les longueurs d'onde pompe et signal correspondent respectivement à l'excitation et la dé-excitation d'un même niveau d'énergie de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal. Avantageusement, le laser de pompe comprend un laser à fibre dopé Erbium ou co-dopé Erbium-Ytterbium émettant vers 1533 nm. 25 Selon un mode de réalisation, le laser de pompe est en outre configuré pour générer un signal de pompe additionnel couplé à la sortie de la fibre amplificatrice à l'aide d'un coupleur à fibre additionnel et dans lequel le cristal amplificateur est configuré pour amplifier le premier signal amplifié à partir et du signal de pompe résiduel et du signal de pompe additionnel. 30 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : -La figure 1 déjà citée illustre le principe d'amplification par fibre optique 35 dopée à partir d'un oscillateur laser. -la figure 2 déjà citée illustre l'architecture et les différents composants optiques utilisés dans un amplificateur à fibres optiques. -La figure 3 schématise le dispositif d'amplification hybride selon l'invention. -La figure 4 illustre un exemple de dispositif d'amplification hybride selon l'invention. -La figure 5 illustre un autre exemple de dispositif d'amplification hybride selon l'invention, dans lequel le coupleur à fibre comprend une fibre de transport. -La figure 6 illustre un autre exemple de dispositif d'amplification hybride 10 selon l'invention, dans lequel le déport du signal et de la pompe est réalisé par deux fibres différentes en amont du coupleur à fibre. -la figure 7 illustre une variante d'adaptateur optique d'un dispositif d'amplification selon l'invention. -La figure 8 illustre une autre variante d'adaptateur optique d'un dispositif 15 d'amplification selon l'invention. -La figure 9 illustre un niveau d'énergie d'un cristal selon l'invention. -La figure 10 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des sections efficaces d'absorption et d'émission de l'erbium dans la silice. -la figure 11 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des 20 sections efficaces d'absorption et d'émission de l'erbium dans un cristal de YAG. -la figure 12 montre la puissance crête obtenue en sortie de la fibre amplificatrice en fonction de la longueur de cette fibre. -La figure 13 montre l'évolution de la puissance de pompage en fonction de 25 la longueur de la fibre amplificatrice. -La figure 14 montre la puissance crête obtenue en sortie du cristal l'amplificateur Er :YAG en fonction de la longueur du cristal. -La figure 15 montre l'évolution de la puissance de la pompe Ppr en fonction de la longueur du cristal. 30 -la figure 16 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel le signal réalise un double passage dans le cristal amplificateur. -la figure 17 illustre une mode de réalisation d'un système selon l'invention. 35 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 3 décrit un dispositif 10 d'amplification optique hybride selon l'invention. Le dispositif 10 est apte à amplifier un signal d'entrée S 5 impulsionnel de longueur d'onde signal À0 comprise entre 1 et 2.5 pm soit le proche infra rouge. Le dispositif 10 comprend un coupleur à fibre FC configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée S et un signal de pompe de longueur d'onde pompe Àp. 10 Préférentiellement le signal d'entrée S est issu d'un oscillateur OL pré-amplifié par un amplificateur PreA comprenant au moins une fibre amplificatrice classique, et le signal de pompe est issu d'un laser de pompe PL, détaillés plus loin. Un exemple de coupleur à fibre conventionnel, illustré figure 4, est de type 15 directionnel. Ce type de coupleur est réalisé par fusion/étirage à partir de deux fibres monomodes et permet un couplage par ondes évanescentes dans la silice sans interfaces avec de très faibles pertes d'insertions, permettant donc de supporter une forte puissance. 20 Le coupleur peut aussi être réalisé à partir d'un miroir dichroïque monté dans un boîtier fibré. Le dispositif 10 comprend également une fibre optique amplificatrice FA dopée avec un ion terre-rare, connectée au coupleur à fibre FC, et configurée pour amplifier le signal optique d'entrée S par transfert d'énergie à 25 partir du signal de pompe P de manière à générer en sortie un premier signal amplifié Sm et un signal de pompe résiduel Pr. La fibre amplificatrice FA est de technologie classique. Le coupleur à fibre FC est un coupleur à fibre conventionnel qui injecte les signaux d'entrée S et de pompe P directement dans une même fibre qui est 30 la fibre amplificatrice FA, tel qu'illustré figures 3 et 4. Ces coupleurs sont par exemple des composants standards utilisés pour les telecoms optiques, éventuellement « durcis » pour supporter de fortes puissances ( > 10 W). Selon une variante illustrée figure 5, le coupleur à fibre FC comprend une 35 fibre de transport FT monomode directement connectée à la fibre amplificatrice FA. Les signaux P et S sont dans ce cas injectés dans la fibre de transport FT à l'aide d'un coupleur à fibre conventionnel réalisé par fusion étirage ou à l'aide de miroirs diélectriques. Le déport par fibre du signal d'entrée et de la pompe est avantageux dans de nombreuses applications embarquées. L'aspect monomode de la fibre de transport garantit un bon recouvrement des faisceaux P et S à l'entrée de la fibre amplificatrice FA, ainsi qu'une faible divergence du faisceau signal en sortie de la fibre de transport, comme expliqué plus haut.According to another aspect, the invention relates to a hybrid amplification system comprising the hybrid amplification device according to the invention, as well as a laser oscillator configured to generate an initial signal and a preamplifier comprising at least one configured amplifying fiber. for amplifying the initial signal and generating the input signal of said device. Advantageously, the laser oscillator is a fiber diode laser directly modulated current, or modulated by an external electro-optical modulator. According to one embodiment, the laser oscillator is configured to generate an initial signal comprising pulses with a duration of between 0.1 and 1000 ns and having a variable repetition rate. In a variant, the laser oscillator is configured to generate an initial signal comprising frequency and / or amplitude modulated pulses. Advantageously, the system according to the invention further comprises a pump laser 15 configured to generate a pump signal which has, at the input of the amplifying fiber, a power greater than the power necessary to saturate the absorption of the amplifying fiber with the pump wavelength. Advantageously, the pump laser and the laser oscillator are configured so that the pump and signal wavelengths respectively correspond to the excitation and de-excitation of the same energy level of the earth-ion. rare in the crystal matrix. Advantageously, the pump laser comprises an Erbium or Erbium-Ytterbium doped fiber laser emitting around 1533 nm. According to one embodiment, the pump laser is further configured to generate an additional pump signal coupled to the output of the amplifying fiber using an additional fiber coupler and wherein the amplifier crystal is configured to amplifying the first amplified signal from and the residual pump signal and the additional pump signal. Other features, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given as non-limiting examples and in which: FIG. 1 already cited illustrates the amplification principle by optical fiber doped from a laser oscillator. FIG. 2 already mentioned illustrates the architecture and the various optical components used in an optical fiber amplifier. FIG. 3 schematizes the hybrid amplification device according to the invention. FIG. 4 illustrates an example of hybrid amplification device according to the invention. FIG. 5 illustrates another example of hybrid amplification device according to the invention, in which the fiber coupler comprises a transport fiber. FIG. 6 illustrates another example of hybrid amplification device 10 according to the invention, in which the offset of the signal and of the pump is made by two different fibers upstream of the fiber coupler. FIG. 7 illustrates an optical adapter variant of an amplification device according to the invention. FIG. 8 illustrates another variant of the optical adapter of an amplification device according to the invention. FIG. 9 illustrates an energy level of a crystal according to the invention. FIG. 10 shows the variation as a function of wavelength at absorption and emission effective cross sections of erbium in silica. FIG. 11 shows the variation as a function of wavelength at erbium absorption and emission cross sections in a YAG crystal. FIG. 12 shows the peak power obtained at the output of the amplifying fiber as a function of the length of this fiber. FIG. 13 shows the evolution of the pumping power as a function of the length of the amplifying fiber. FIG. 14 shows the peak power obtained at the output of the crystal, the Er: YAG amplifier as a function of the length of the crystal. FIG. 15 shows the evolution of the power of the pump Ppr as a function of the length of the crystal. FIG. 16 illustrates an embodiment of the device according to the invention in which the signal makes a double pass through the amplifier crystal. FIG. 17 illustrates an embodiment of a system according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 3 depicts a hybrid optical amplification device 10 according to the invention. The device 10 is able to amplify an input signal S 5 pulse signal wavelength λ0 between 1 and 2.5 pm is the near infrared. The device 10 comprises an FC fiber coupler configured to inject into the same fiber the input signal S and a pump wavelength pump signal λp. Preferentially, the input signal S is derived from an oscillator OL pre-amplified by a PreA amplifier comprising at least one conventional amplifying fiber, and the pump signal comes from a pump laser PL, detailed below. An example of a conventional fiber coupler, illustrated in FIG. 4, is of the directional type. This type of coupler is made by fusion / stretching from two single-mode fibers and allows a coupling by evanescent waves in the silica without interfaces with very low insertions losses, thus allowing to withstand a high power. The coupler can also be made from a dichroic mirror mounted in a fiber bundle. The device 10 also comprises an earth-rare-ion doped FA amplifying optical fiber, connected to the FC fiber coupler, and configured to amplify the input optical signal S by energy transfer from the pump signal P of to output a first amplified signal Sm and a residual pump signal Pr. The amplifying fiber FA is of conventional technology. The fiber coupler FC is a conventional fiber coupler which injects the input signals S and pump P directly into the same fiber which is the amplifying fiber FA, as shown in FIGS. 3 and 4. These couplers are for example standard components used for optical telecoms, possibly "hardened" to support high power (> 10 W). According to a variant illustrated in FIG. 5, the FC fiber coupler comprises a monomode FT transport fiber directly connected to the amplifying fiber FA. The signals P and S are in this case injected into the transport fiber FT by means of a conventional fiber coupler made by drawing fusion or using dielectric mirrors. The fiber offset of the input signal and the pump is advantageous in many embedded applications. The single-mode aspect of the transport fiber guarantees a good overlap of the P and S beams at the input of the amplifying fiber FA, as well as a small divergence of the signal beam at the output of the transport fiber, as explained above.
Selon une autre variante illustrée figure 6, le déport est réalisé séparément par deux fibres différentes, une fibre de transport FT pour le déport du signal d'entrée S, et une autre fibre pour le signal de pompe P, faisant partie du laser de pompe ou connectée à celui-ci.According to another variant illustrated in FIG. 6, the offset is made separately by two different fibers, a transport fiber FT for the offset of the input signal S, and another fiber for the pump signal P, which is part of the pump laser. or connected to it.
Le dispositif 10 comprend en outre un cristal amplificateur CA dopé avec le même ion terre-rare que la fibre amplificatrice, qui est configuré pour amplifier le premier signal amplifié SA1 par transfert d'énergie à partir du signal de pompe résiduel Pr, de manière à générer un deuxième signal amplifié SA2. Ainsi la puissance du signal de pompe P doit être suffisante en entrée de la fibre amplificatrice FA, pour que cette dernière n'absorbe pas l'intégralité de son énergie, et ainsi que la puissance pompe résiduelle Pr en sortie de la fibre amplificatrice FA soit suffisante pour servir à son tour de signal de pompe en entrée du cristal amplificateur pour réaliser une amplification de SAI dans le cristal amplificateur CA.The device 10 further comprises an amplifying crystal CA doped with the same rare-earth ion as the amplifying fiber, which is configured to amplify the first amplified signal SA1 by transfer of energy from the residual pump signal Pr, so as to generating a second amplified signal SA2. Thus the power of the pump signal P must be sufficient at the input of the amplifying fiber FA, so that the latter does not absorb all of its energy, and and the residual pump power Pr at the output of the amplifying fiber FA is sufficient to serve as a pump signal input to the amplifier crystal to perform an amplification of SAI in the AC amplifier crystal.
Enfin le dispositif 10 comprend un adaptateur optique OA disposé entre l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice FA du côté du cristal CA et le cristal amplificateur CA, configuré pour adapter le premier signal amplifié SAI et le signal de pompe résiduel Pr au cristal amplificateur CA. Cette adaptation consiste à collimater et élargir les diamètres respectifs du premier signal amplifié SAI et du signal de pompe résiduel Pr afin d'adapter les dimensions des faisceaux signal et pompe au cristal amplificateur CA. Ce dernier étage d'amplification s'effectue donc en propagation libre. En variante, on positionne un isolateur optique entre l'adaptateur optique et le 35 cristal CA.Finally, the device 10 comprises an optical adapter OA disposed between the output end of the amplifying fiber FA on the side of the crystal CA and the amplifying crystal CA, configured to adapt the first amplified signal SAI and the residual pump signal Pr to the amplifier crystal. IT. This adaptation consists in collimating and widening the respective diameters of the first amplified signal SAI and the residual pump signal Pr in order to adapt the dimensions of the signal and pump beams to the amplifying crystal CA. This last amplification stage is therefore carried out in free propagation. Alternatively, an optical isolator is positioned between the optical adapter and the CA crystal.
Les signaux en sortie de la fibre FA sont divergents, et il convient pour optimiser l'amplification dans le cristal d'éclairer celui-ci avec des faisceaux présentant un diamètre adapté à l'amplification dans le cristal CA, c'est-à-dire des faisceaux configurés pour minimiser le volume du cristal pompé, compte tenu de la diffraction des faisceaux de pompe et du signal, et de la longueur du cristal. Lorsque le volume pompé est minimisé, la densité de pompage et le gain sont maximisés. L'adaptateur optique rempli ce rôle en réalisant une focalisation optimale des faisceaux pompe et signal. Une valeur approximative du diamètre optimum D (typiquement au centre du cristal) est obtenue en considérant un faisceau gaussien focalisé au centre du cristal et en calculant le diamètre du faisceau D au point de focalisation (waist) minimisant le volume du faisceau dans le cristal. Ce diamètre D vaut : À. L D n.rc. 12 Avec, L : longueur du cristal n : indice optique du cristal : longueur d'onde signal/pompe Ainsi le dispositif d'amplification hybride 10 comprend un amplificateur à fibre optique FA, faisant suite à d'éventuels autres étages d'amplifications à fibre, et dont le dernier étage d'amplification comprend un cristal dopé CA en propagation libre. Cette architecture permet de repousser les limitations énergie/puissance crête liées à la seule utilisation de fibres amplificatrices, tout en conservant l'essentiel de leurs avantages. En effet, par rapport à un système tout fibre, on ne fait que rajouter un barreau de cristal dopé en bout de chaîne (un système laser à fibre de puissance classique est généralement terminé par un collimateur c'est-à-dire une lentille de collimation suivie éventuellement d'un isolateur). Ce dernier étage en propagation libre est relativement simple à aligner, et est capable de délivrer des impulsions présentant une énergie et une puissance crête équivalente à celle disponible avec la technologie laser à solide.The signals at the output of the fiber FA are divergent, and it is appropriate to optimize the amplification in the crystal to illuminate it with beams having a diameter adapted to the amplification in the AC crystal, that is to say say bundles configured to minimize the volume of the pumped crystal, given the diffraction of the pump beams and the signal, and the length of the crystal. When the pumped volume is minimized, the pumping density and gain are maximized. The optical adapter fulfills this role by achieving optimal focusing of the pump and signal beams. An approximate value of the optimum diameter D (typically at the center of the crystal) is obtained by considering a Gaussian beam focused at the center of the crystal and calculating the diameter of the beam D at the focusing point (waist) minimizing the volume of the beam in the crystal. This diameter D is: L D n.rc. With, L: length of the crystal n: optical index of the crystal: signal wavelength / pump Thus the hybrid amplification device 10 comprises an optical fiber amplifier FA, following any other stages of amplifications to fiber, and whose last amplification stage comprises a CA doped crystal in free propagation. This architecture makes it possible to push back the energy / peak power limitations related to the sole use of amplifying fibers, while retaining most of their advantages. In fact, compared to an all-fiber system, all that is required is to add a doped crystal rod at the end of the chain (a conventional power fiber laser system is generally terminated by a collimator, that is to say a lens of collimation possibly followed by an isolator). This free-propagation last stage is relatively simple to align, and is capable of delivering pulses having energy and peak power equivalent to that available with solid-state laser technology.
De plus l'architecture du dispositif est telle que les signaux pompe Pr et signal à amplifier Sm proviennent de la même fibre FA : il y a nécessairement un bon recouvrement spatial entre eux, ce qui minimise le nombre de composants optiques de la partie non guidée.In addition, the architecture of the device is such that the pump signals Pr and signal to be amplified Sm originate from the same fiber FA: there is necessarily a good spatial overlap between them, which minimizes the number of optical components of the unguided portion. .
Selon une variante illustrée figure 7, l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice côté cristal amplificateur est munie d'un embout E dépourvu de coeur (couramment dénommé « end-cap), qui est classiquement utilisé pour éviter l'endommagement optique à l'interface avec l'air. L'adaptateur optique OA comprend dans ce cas une simple lentille réfractive Lr, de faible coût, disponible et permettant une grande flexibilité pour l'adaptation de la taille du mode. Selon une autre variante illustrée figure 8, l'adaptateur optique OA comprend un segment de lentille à gradient d'indice Lgi directement soudé à l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice. La longueur de la lentille et l'amplitude du gradient d'indice sont choisis pour permettre une collimation des faisceaux Pr et SA1 avec le diamètre souhaité. On élimine ainsi un composant en propagation libre (la lentille réfractive). Selon une variante préférée, la fibre amplificatrice FA est compatible d'une 20 amplification monomode pour la longueur d'onde signal ÀO, pour obtenir un premier signal amplifié de faible divergence. Selon une variante préférée, la fibre amplificatrice FA est également monomode pour la longueur d'onde pompe Àp. Cette propriété est obtenue par le choix de l'ouverture numérique et du diamètre de coeur de la fibre FA. 25 Le caractère monomode de la propagation dans la fibre FA du signal à amplifié et de la pompe permet un bon recouvrement de ces faisceaux dans le cristal. Pour obtenir cette propriété, les longueurs d'onde ÀO et Àp doivent être suffisamment proches. Ceci est vérifié lorsque, avantageusement, les 30 longueurs d'onde pompe Ap et signal ÀO correspondent respectivement à l'excitation et la désexcitation d'un même niveau d'énergie 90 de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal, respectivement à partir et vers le niveau fondamental 91, tel qu'illustré figure 9.According to a variant illustrated in FIG. 7, the output end of the amplifier crystal-side amplifying fiber is provided with a core-free tip E (commonly referred to as "end-cap"), which is conventionally used to prevent optical damage to the amplifier. interface with the air. The optical adapter OA comprises in this case a simple refractive lens Lr, low cost, available and allowing great flexibility for adapting the size of the mode. According to another variant illustrated in FIG. 8, the optical adapter OA comprises an index gradient lens segment Lgi directly welded to the output end of the amplifying fiber. The length of the lens and the amplitude of the index gradient are chosen to allow collimation of the Pr and SA1 beams with the desired diameter. This eliminates a component in free propagation (the refractive lens). According to a preferred variant, the amplifying fiber FA is compatible with a monomode amplification for the signal wavelength λ 0, to obtain a first amplified signal of low divergence. According to a preferred variant, the amplifying fiber FA is also monomode for the pump wavelength λp. This property is obtained by the choice of the numerical aperture and the core diameter of the FA fiber. The single-mode character of the propagation in the FA fiber of the amplified signal and the pump allows a good recovery of these beams in the crystal. To obtain this property, the wavelengths λ0 and λp must be close enough. This is verified when, advantageously, the pump wavelengths Ap and the signal O0 respectively correspond to the excitation and the deexcitation of the same energy level 90 of the rare-earth ion in the crystal matrix, respectively from and to the fundamental level 91, as shown in Figure 9.
En sortie de la fibre amplificatrice FA, les signaux Pr et SA1 sont automatiquement alignés, ce qui permet d'obtenir automatiquement, sans alignement, un très bon recouvrement dans le cristal à l'aide d'une simple lentille comme adaptateur optique.At the output of the amplifying fiber FA, the signals Pr and SA1 are automatically aligned, which allows to obtain automatically, without alignment, a very good recovery in the crystal using a single lens as an optical adapter.
Pour que les transferts d'énergie s'opèrent correctement, la longueur d'onde À0 doit être comprise dans la bande de gain de la fibre dopée FA et coïncider avec une des raies d'émission du cristal dopé CA, et la longueur d'onde lep doit être comprise dans la bande d'absorption de la fibre dopée FA et coïncider avec une des raies d'absorption du cristal dopé CA.In order for the energy transfers to operate correctly, the wavelength λ 0 must lie in the gain band of the doped fiber FA and coincide with one of the emission lines of the doped crystal CA, and the length of the lep wave must be in the absorption band of the doped fiber FA and coincide with one of the absorption lines of the CA doped crystal.
Avantageusement l'ion terre-rare est l'ion Erbium et le cristal est une matrice Y3A15O12 ou YAG. Le dopage Erbium permet une émission dans la bande 1.5 pm de sécurité oculaire et l'utilisation de détecteurs InGaAs à avalanche. La figure 10 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des sections efficaces d'absorption o-aeff et d'émission creeff de l'erbium dans la silice, et la figure 11 montre les raies d'absorption « pump lines » et d'émission « laser lines » de l'erbium dans un cristal de YAG. Ainsi pour un dopage erbium, la longueur d'onde signal À0 est préférentiellement comprise entre 1532 nm et 1617 nm, et est choisie 20 avantageusement telle qu'elle coïncide avec une raie laser du YAG dopé erbium, par exemple À0=1617 nm. Cette longueur d'onde est préférentiellement pompée avec un signal pompe Àp=1533 nm, qui correspond au maximum d'absorption dans la silice dopée erbium et à une raie d'absorption dans le YAG dopé erbium. 25 D'autres matrices cristallines dopées Erbium sont caractérisées par des raies d'émission à de plus courtes longueurs d'ondes que 1617 nm, ce qui permet de réduire la longueur de la fibre amplificatrice FA, car le gain est plus important. La réduction de cette longueur de fibre permet de minimiser les effets non-linéaires pouvant distordre l'impulsion et élargir son spectre 30 optique et donc de maximiser la puissance crête en sortie de la fibre FA. La longueur d'onde de 1617 nm est en effet en limite de la bande de gain des amplificateurs à fibre en silice dopée erbium (figure 10). A titre d'exemple la matrice YLF permet une émission vers 1601 nm, et la matrice YVO4 permet une émission vers 1580 nm. D'une façon générale, il 35 existe différentes matrices possibles sous forme de monocristaux ou de céramiques permettant une émission dans la gamme 1532-1617 nm, qui coïncide avec la bande de gain des amplificateurs à fibres. De plus, en fonction de l'ion terre-rare utilisé, il convient de choisir des 5 longueurs d'onde signal et pompe adaptées, avec la contrainte qu'elles correspondent à des sources commerciales (oscillateur laser et laser de pompe). Selon un exemple l'ion terre rare est l'ion Ytterbium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 1pm et 1.1 pm et le laser de pompe PL est un 10 laser à fibre dopé Néodyme de longueur d'onde pompe Àp=910 nm ou un laser à fibre dopé Ytterbium de longueur d'onde pompe Àp=980 nm. Selon un autre exemple, l'ion terre rare est l'ion Thulium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 1.9 pm et 2.05 pm et le laser de pompe est un laser à fibre dopé Erbium de longueur d'onde pompe Àp comprise entre 1530 15 nm et 1600 nm. Selon un autre exemple, l'ion terre rare est l'ion Holmium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 2.05 pm et 2.15 pm et le laser de pompe est un laser à fibre dopé Thulium de longueur d'onde pompe Àp comprise entre 1900 nm et 2000 nm. 20 Nous allons à présent décrire un mode de réalisation préféré d'un dispositif d'amplification hybride selon l'invention, en précisant les sources, signal et pompe, adaptées à sa mise en oeuvre dans l'exemple considéré. Son architecture est celle de la figure 5. 25 Un oscillateur laser impulsionnel OL est constitué d'une diode laser fibrée modulée émettant à À0=1617 nm qui génère un signal initial Sinit. Comme décrit précédemment, cette longueur d'onde correspond à une raie d'amplification du cristal Er : YAG et est aussi compatible de la bande de gain des amplificateurs à fibres dopées erbium. 30 Selon un mode de réalisation, l'oscillateur laser est directement modulé par le courant d'injection. Selon un autre mode de réalisation, l'oscillateur laser fonctionne en continu et la modulation est réalisée à l'aide d'un modulateur électro-optique fibré externe.Advantageously, the rare earth ion is the Erbium ion and the crystal is a Y3A15O12 or YAG matrix. Erbium doping allows emission in the 1.5 μm ocular safety band and the use of InGaAs avalanche detectors. FIG. 10 shows the wavelength-dependent variation at the o-aeff and creeff emission cross sections of erbium in silica, and FIG. 11 shows the pump line absorption lines. And "laser lines" emission of erbium in a YAG crystal. Thus, for an erbium doping, the signal wavelength λ 0 is preferably between 1532 nm and 1617 nm, and is advantageously chosen such that it coincides with an erbium-doped YAG laser line, for example λ 0 = 1617 nm. This wavelength is preferably pumped with a pump signal λp = 1533 nm, which corresponds to the absorption maximum in the erbium-doped silica and to an absorption line in the erbium-doped YAG. Other Erbium doped crystalline matrices are characterized by emission lines at shorter wavelengths than 1617 nm, which reduces the length of the amplifying fiber FA because the gain is greater. Reducing this fiber length minimizes the nonlinear effects that can distort the pulse and broaden its optical spectrum and thus maximize the peak power at the output of the FA fiber. The wavelength of 1617 nm is in fact at the limit of the gain band of the erbium-doped silica fiber amplifiers (FIG. 10). By way of example, the YLF matrix allows emission towards 1601 nm, and the YVO4 matrix allows emission towards 1580 nm. In general, there are various possible matrices in the form of single crystals or ceramics allowing emission in the range 1532-1617 nm, which coincides with the gain band of the fiber amplifiers. In addition, depending on the rare earth ion used, appropriate signal and pump wavelengths should be chosen, with the constraint that they correspond to commercial sources (laser oscillator and pump laser). According to one example, the rare earth ion is the Ytterbium ion, the signal wavelength λ0 is between 1 μm and 1.1 μm, and the pump laser PL is a neodymium doped fiber laser of pump wavelength λp = 910 nm or a Ytterbium doped fiber laser of pump wavelength λp = 980 nm. According to another example, the rare earth ion is the Thulium ion, the signal wavelength λ0 is between 1.9 μm and 2.05 μm and the pump laser is an Erbium doped fiber laser with wavelength λp between 1530 nm and 1600 nm. According to another example, the rare earth ion is the Holmium ion, the signal wavelength λ0 is between 2.05 μm and 2.15 μm, and the pump laser is a Thulium doped fiber laser with pump wavelength λ. between 1900 nm and 2000 nm. We will now describe a preferred embodiment of a hybrid amplification device according to the invention, specifying the sources, signal and pump, adapted to its implementation in the example. Its architecture is that of FIG. 5. A pulse laser oscillator OL consists of a modulated fiber-optic diode emitting at λ = 1617 nm which generates an initial signal Sinit. As previously described, this wavelength corresponds to an amplification line of the Er: YAG crystal and is also compatible with the gain band of the erbium doped fiber amplifiers. According to one embodiment, the laser oscillator is directly modulated by the injection current. According to another embodiment, the laser oscillator operates continuously and the modulation is performed using an external fiber optic electro-optical modulator.
Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial Sinit comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal 5 initial Sinit comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en phase, c'est-à-dire configuré pour générer une forme d'onde complexe à amplifier. Le signal initial modulé de cette diode Sinit est ensuite pré-amplifié à l'aide d'un préamplificateur PreA comprenant une pluralité d'amplificateurs à fibres 10 dopées Erbium conventionnels (EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier) jusqu'à un niveau de puissance crête compatible avec un transport par fibre FT sur plusieurs mètres sans effets non-linéaires néfastes. Le signal issu de cette pré-amplification puis transporté dans la fibre FT forme le signal S injecté en entrée du dispositif 10 d'amplification hybride. Le déport par fibre 15 optique de cette première partie de la source n'est pas obligatoire mais peut être avantageux dans un grand nombre d'applications embarquées. La diode laser pré-amplifiée émet des impulsions d'enveloppe gaussiennes de largeur à mi-hauteur de 1 ns avec une puissance crête de 100 W à une cadence de 10 kHz. Cette puissance est propagée sans distorsion dans la 20 fibre de transport. On dispose de plus d'un laser de pompage PL à fibre émettant à la longueur d'onde de 1533 nm compatible à la fois du pompage des amplificateurs à fibres dopées erbium et du pompage des amplificateurs cristaux dopés erbium, comme décrit précédemment. Ce type de laser est disponible 25 commercialement. Il s'agit par exemple d'un laser émettant 50 W en continu, qui est un laser à fibre dopé erbium ou un laser à fibre co-dopé ytterbium-Erbium. Le laser de pompage PL génère un signal P qui est couplé avec le signal S à 1617 nm dans la fibre de transport FT à l'aide d'un coupleur à fibre 30 conventionnel réalisé par fusion étirage de fibres ou à l'aide de miroirs diélectriques. Au bout de la fibre de transport FT, on soude un tronçon de fibre dopée erbium FA avec un diamètre de coeur et une ouverture numérique compatibles d'une amplification monomode et permettant d'extraire un maximum d'énergie (typiquement une centaine de micro joules avec un diamètre de coeur de 20 pm et une ouverture numérique de 0.09). En outre, la puissance de pompage à l'entrée de cette fibre amplificatrice est suffisante pour saturer l'absorption dans la fibre FA de sorte que la majeure 5 partie de la puissance de pompage reste disponible en sortie de cette fibre FA (correspondant à Pr) pour l'étage d'amplification suivant dans le cristal CA. En d'autres termes, le laser de pompe PL est configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice FA, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de 10 la fibre amplificatrice FA à la longueur d'onde de pompe Àp tout au long de la fibre. La puissance de saturation Pp,sat définie comme la puissance nécessaire pour exciter la moitié des ions de l'état fondamental vers l'état excité pour l'absorption de la pompe, est donnée par la formule suivante : h v A Pp,sat - e ,pa,p)- 1- 15 Où ae,p et o-e,p sont les sections efficaces d'émission et d'absorption à la longueur d'onde de pompage, z la durée de vie du niveau excité, et A l'aire moyenne du faisceau de pompe dans la fibre. Dans cet exemple, la puissance de 50 W correspond à environ 1000 fois la 20 puissance de saturation à la longueur d'onde de pompe pour la fibre considérée. Par ailleurs, il faut aussi que l'énergie du signal à amplifier à l'entrée de la fibre soit très faible devant l'énergie de saturation de l'émission, et ne devienne comparable à celle-ci qu'en extrémité de la fibre amplificatrice afin 25 de ne pas dé-saturer l'absorption. L'énergie de saturation Es,sat correspond à l'énergie incidente nécessaire à la désexcitation de la moitié des ions excités par émission stimulée, et est donnée par la formule suivante : h. v s. A Cre,sa,$) Où, 0e,s et cra,s sont les sections efficaces d"emission et d'absorption à la longueur d'onde du signal, et A l'aire moyenne du faisceau signal. Es,sat 30 Dans l'exemple pris, l'énergie incidente du signal en entrée de la fibre FA est de 0.1 pJ, l'énergie amplifiée en sortie de fibre FA est d'environ 200 pJ pour 7.5 m de fibre, et l'énergie de saturation Es,sat est d'environ 500 pJ.Advantageously, the laser oscillator OL is configured to generate an initial Sinit signal comprising pulses with a duration of between 0.1 and 1000 ns and having a variable repetition rate. Advantageously, the laser oscillator OL is configured to generate an initial Sinit signal comprising frequency-modulated and / or phase-modulated pulses, that is to say configured to generate a complex waveform to be amplified. The initial modulated signal of this Sinit diode is then pre-amplified using a PreA preamplifier comprising a plurality of conventional Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFAs) up to a peak power level. compatible with FT fiber transport over several meters without harmful non-linear effects. The signal resulting from this pre-amplification and then transported in the fiber FT forms the signal S injected at the input of the hybrid amplification device. The optical fiber offset of this first part of the source is not mandatory but may be advantageous in a large number of embedded applications. The pre-amplified laser diode emits gaussian envelope pulses with a half-height width of 1 ns with a peak power of 100 W at a rate of 10 kHz. This power is propagated without distortion in the transport fiber. More than one fiber pumping laser PL emitting at the 1533 nm wavelength compatible with both the pumping of the erbium doped fiber amplifiers and the pumping of the erbium doped crystal amplifiers, as described previously, is available. This type of laser is commercially available. This is for example a laser emitting 50 W continuously, which is an erbium doped fiber laser or a co-doped ytterbium-Erbium fiber laser. The pump laser PL generates a signal P which is coupled with the signal S at 1617 nm in the transport fiber FT by means of a conventional fiber coupler made by melting fibers or using mirrors dielectrics. At the end of the FT transport fiber, an erbium-doped fiber section FA is soldered with a compatible core diameter and numerical aperture of monomode amplification and making it possible to extract a maximum of energy (typically one hundred micro joules). with a core diameter of 20 μm and a numerical aperture of 0.09). In addition, the pumping power at the input of this amplifying fiber is sufficient to saturate the absorption in the fiber FA so that the major part of the pumping power remains available at the output of this fiber FA (corresponding to Pr ) for the next amplification stage in the CA crystal. In other words, the pump laser PL is configured to generate a pump signal which has, at the input of the amplifying fiber FA, a power greater than the power necessary to saturate the absorption of the amplifying fiber FA with the pump wavelength λp throughout the fiber. The saturation power Pp, sat defined as the power necessary to excite half of the ions of the ground state to the excited state for the absorption of the pump, is given by the following formula: hv A Pp, sat - e where ae, p and oe, p are the emission and absorption cross sections at the pump wavelength, z the lifetime of the excited level, and average area of the pump beam in the fiber. In this example, the power of 50 W corresponds to about 1000 times the saturation power at the pump wavelength for the fiber in question. Moreover, it is also necessary that the energy of the signal to be amplified at the input of the fiber is very low compared to the saturation energy of the emission, and becomes comparable to it only at the end of the fiber. amplifying so as not to saturate the absorption. The saturation energy Es, sat corresponds to the incident energy necessary for the deexcitation of half of the excited ions by stimulated emission, and is given by the following formula: h. v s. At Cre, its, $) where, 0, s, and cra, s are the emission and absorption cross sections at the wavelength of the signal, and at the average area of the signal beam. In the example taken, the incident energy of the signal at the input of the fiber FA is 0.1 pJ, the amplified energy at the output of fiber FA is about 200 pJ for 7.5 m of fiber, and the saturation energy Es, sat is about 500 pJ.
On note que la puissance dissipée dans cet amplificateur à fibre FA est suffisamment faible pour pouvoir s'affranchir d'un système de refroidissement et qu'il est donc possible de simplement disposer la fibre amplificatrice FA dans le câble optique à l'extrémité de la fibre de transport. En sortie de l'amplificateur, le signal amplifié Sm et la pompe résiduelle Pr sont automatiquement alignés et avec un très bon recouvrement spatial puisque les deux longueurs d'ondes À0 et Àp sont très proches. Cette configuration permet à l'aide d'une simple lentille de coupler les deux faisceaux Sm et Pr avec le diamètre requis dans le cristal d'Er :YAG pour une dernière étape d'amplification.Note that the power dissipated in this fiber amplifier FA is low enough to be able to overcome a cooling system and it is therefore possible to simply have the amplifying fiber FA in the optical cable at the end of the transport fiber. At the output of the amplifier, the amplified signal Sm and the residual pump Pr are automatically aligned and with a very good spatial overlap since the two wavelengths λ0 and λp are very close. This configuration allows using a single lens to couple the two beams Sm and Pr with the required diameter in the Er: YAG crystal for a final amplification step.
Les figures suivantes ont été obtenues par simulation numérique, en utilisant les paramètres spectroscopiques connus des fibres en silice dopées erbium et de la matrice YAG dopée erbium. La figure 12 montre la puissance crête Pc1 (signal SAI) obtenue en sortie de l'amplificateur à fibre FA en fonction de la longueur de cette fibre. La fibre choisie correspond à une fibre dopée erbium disponible commercialement avec un coeur de 20 pm, une ouverture numérique de 0.09, et un niveau de dopage correspondant à une absorption de 120 dB/m à 1532 nm. On obtient une puissance crête de 200 kW (200 pJ) pour une longueur de fibre d'environ 7.5 m. La figure 13 montre l'évolution de la puissance de pompage Pp (signal P) en fonction de la longueur de la fibre FA. Au bout de 7.5 m, la puissance de pompage résiduelle est de Pr = 45 W. La puissance thermique dissipée dans la fibre amplificatrice est donc inférieure à 3 W, ce qui ne demande pas de gestion thermique particulière. Cette valeur de 45 W est suffisamment importante pour que Pr puisse servir à nouveau de de pompe dans le cristal CA. La figure 14 montre la puissance crête Pc2 obtenue en sortie de l'amplificateur CA Er :YAG (signal SA2) en fonction de la longueur du cristal 35 avec une puissance de pompage incidente Pr de 45 W et une puissance crête incidente du signal de 200 kW. On a fait l'hypothèse que les faisceaux avaient un diamètre de 200 pm dans le cristal. On obtient environ 1 MW de puissance crête Pc2 pour une longueur d'interaction de 10 cm et 1.75 MW pour 15 cm. La figure 15 montre l'évolution de la pompe Ppr dans les mêmes conditions. On constate une amplification très importante du signal par le cristal CA. En variante, s'il y a nécessité de refroidir, la fibre amplificatrice il est possible de disposer la fibre FA dans la tête d'émission, par exemple pour une 10 cadence de tir plus élevée. Afin de diminuer la longueur de cristal nécessaire à l'obtention d'une puissance crête donnée, selon un mode de réalisation on réalise un double passage du signal, ou du signal et de la pompe, en utilisant un polariseur 15 Pol, une lame quart d'onde LQO, et un miroir M comme illustré sur la figure 16. Cela suppose d'avoir un faisceau polarisé rectiligne pour au moins le signal et donc l'utilisation en amont de fibres à maintien de polarisation (PM). De même, on réalise 4 passages dans le cristal en remplaçant le polariseur par un isolateur optique et en ajoutant un mirroir. Ces modifications 20 permettent de réduire la longueur du cristal. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un système 100 d'amplification hybride comprenant le dispositif d'amplification hybride 10 qu'un oscillateur laser OL configuré pour générer un signal initial Sinit, et un 25 préamplificateur PreA comprenant au moins une fibre amplificatrice FA1, FA2, FA3... configuré pour amplifier le signal initial Sinit et générer le signal d'entrée S du dispositif 10, tel qu'illustré sur les figures 5 et 6. Comme décrit précédemment, avantageusement l'oscillateur laser OL est une diode laser fibrée soit directement modulée en courant, soit continue et modulée par un 30 modulateur électro-optique externe. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en 35 amplitude.The following figures were obtained by numerical simulation, using the known spectroscopic parameters of the erbium-doped silica fibers and the erbium-doped YAG matrix. FIG. 12 shows the peak power Pc1 (signal SAI) obtained at the output of the fiber amplifier FA as a function of the length of this fiber. The selected fiber corresponds to an erbium doped fiber commercially available with a core of 20 μm, a numerical aperture of 0.09, and a doping level corresponding to an absorption of 120 dB / m at 1532 nm. A peak power of 200 kW (200 pJ) is obtained for a fiber length of approximately 7.5 m. FIG. 13 shows the evolution of the pumping power Pp (signal P) as a function of the length of the fiber FA. After 7.5 m, the residual pumping power is Pr = 45 W. The thermal power dissipated in the amplifying fiber is less than 3 W, which does not require special thermal management. This value of 45 W is large enough that Pr can again serve as a pump in the CA crystal. FIG. 14 shows the peak power Pc2 obtained at the output of the CA Er: YAG amplifier (signal SA2) as a function of the length of the crystal 35 with an incident pump power Pr of 45 W and an incident peak power of the signal of 200. kW. It was assumed that the beams had a diameter of 200 μm in the crystal. About 1 MW of peak power Pc2 is obtained for an interaction length of 10 cm and 1.75 MW for 15 cm. Figure 15 shows the evolution of the pump Ppr under the same conditions. There is a very significant amplification of the signal by the CA crystal. Alternatively, if it is necessary to cool, the amplifying fiber it is possible to arrange the fiber FA in the emitting head, for example for a higher rate of fire. In order to reduce the crystal length necessary to obtain a given peak power, according to one embodiment, a double pass of the signal or of the signal and of the pump is made using a Pol polarizer, a quarter blade. LQO wave, and a mirror M as illustrated in Figure 16. This assumes to have a rectilinear polarized beam for at least the signal and therefore the upstream use of polarization-maintaining fibers (PM). Likewise, four passages are made in the crystal by replacing the polarizer with an optical isolator and adding a mirror. These modifications reduce the length of the crystal. According to another aspect, the invention also relates to a hybrid amplification system 100 comprising the hybrid amplification device 10 that an OL laser oscillator configured to generate an initial Sinit signal, and a PreA preamplifier comprising at least one amplifying fiber. FA1, FA2, FA3 ... configured to amplify the initial signal Sinit and to generate the input signal S of the device 10, as illustrated in FIGS. 5 and 6. As previously described, advantageously the laser oscillator OL is a Fiber laser diode is directly modulated in current, or continuous and modulated by an external electro-optical modulator. Advantageously, the laser oscillator OL is configured to generate an initial signal comprising pulses with a duration of between 0.1 and 1000 ns and having a variable repetition rate. Advantageously, the laser oscillator OL is configured to generate an initial signal comprising frequency and / or amplitude modulated pulses.
Avantageusement, le système 100 comprend en outre un laser de pompe PL configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice FA, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la fibre amplificatrice FA à la longueur d'onde de pompe Àp. Cette condition assure qu'une partie importante de la pompe n'est pas absorbée par la fibre et reste disponible pour le pompage du cristal CA. Avantageusement, comme expliqué précédemment, le laser de pompe PL et l'oscillateur laser OL sont configurés pour que les longueurs d'onde pompe Àp et signal À0 correspondent à l'excitation (pour la pompe) et la dé-excitation (pour l'émission du signal amplifié) d'un même niveau d'énergie de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal CA. Cette propriété assure des longueurs d'onde Àp et À0 suffisamment proches pour que la fibre amplificatrice FA soit monomode pour les deux longueurs d'onde, assurant en sortie de fibre FA un auto-alignement des deux faisceaux, permettant une adaptation de ces faisceaux au diamètre requis dans le cristal CA à l'aide d'une simple lentille, réfractive ou à gradient d'indice. Le laser de pompe peut fonctionner en continu ou en mode impulsionnel.Advantageously, the system 100 further comprises a pump laser PL configured to generate a pump signal having, at the input of the amplifying fiber FA, a power greater than the power required to saturate the absorption of the amplifying fiber FA with the pump wavelength λp. This condition ensures that a significant portion of the pump is not absorbed by the fiber and remains available for pumping the AC crystal. Advantageously, as explained above, the pump laser PL and the laser oscillator OL are configured so that the pump wavelength λp and the signal λ0 correspond to the excitation (for the pump) and the de-excitation (for the emission of the amplified signal) of the same energy level of the rare-earth ion in the CA crystal matrix. This property ensures wavelengths λp and λ0 sufficiently close so that the amplifying fiber FA is single-mode for the two wavelengths, ensuring at output of fiber FA a self-alignment of the two beams, allowing these beams to adapt to diameter required in the CA crystal using a simple lens, refractive or gradient index. The pump laser can operate continuously or in pulse mode.
Avantageusement, le laser de pompe PL comprend un laser à fibre dopé Erbium ou co-dopé Ytterbium-Erbium émettant vers 1533 nm. Ces sources sont disponibles commercialement avec les conditions requises : puissance de 50 W, monomode, et présentant un bon rendement et un faible encombrement.Advantageously, the pump laser PL comprises an Erbium doped fiber laser or co-doped Ytterbium-Erbium emitting around 1533 nm. These sources are commercially available with the required conditions: power of 50 W, singlemode, and having a good performance and a small footprint.
Selon un autre mode de réalisation le laser de pompe PL est un laser à laser à fibre à effet Raman émettant vers 1480 nm qui correspond aussi à une longueur d'onde de pompage commune aux fibres en silice dopées Er et aux cristaux dopés Er (en particulier le YAG). Ce type de laser, qui est obtenu par cascade Raman à partir d'un laser à fibre Yb, est disponible commercialement. Cette source permet d'avoir plus de gain par unité de longueur, donc de minimiser la longueur de la fibre et donc de permettre plus de puissance crête avec l'apparition d'effets néfastes. Selon un mode de réalisation illustré figure17, le laser de pompe PL du système 100 est en outre configuré pour générer un signal de pompe 35 additionnel Padd couplé avec la sortie de la fibre amplificatrice à l'aide d'un coupleur à fibre additionnel Cadd. Dans ce cas le cristal amplificateur CA est configuré pour amplifier le premier signal amplifié Sm à partir et du signal de pompe résiduel Pr et du signal de pompe additionnel Padd. Cet agencement permet de lever la condition sur la saturation de l'absorption tout au long de la fibre et sur le niveau d'entrée du signal dans la fibre FA, ce qui introduit plus de souplesse pour la conception du dispositif d'amplification.According to another embodiment, the pump laser PL is a Raman fiber laser laser emitting at about 1480 nm which also corresponds to a pumping wavelength common to the Er-doped silica fibers and the Er-doped crystals (in FIG. especially the YAG). This type of laser, which is obtained by Raman cascade from a Yb fiber laser, is commercially available. This source makes it possible to have more gain per unit of length, thus to minimize the length of the fiber and thus to allow more peak power with the appearance of harmful effects. According to an embodiment illustrated in FIG. 17, the pump laser PL of the system 100 is further configured to generate an additional pump signal Padd coupled with the output of the amplifying fiber by means of an additional fiber coupler Cadd. In this case, the amplifying crystal CA is configured to amplify the first amplified signal Sm from and the residual pump signal Pr and the additional pump signal Padd. This arrangement makes it possible to lift the condition on saturation of the absorption throughout the fiber and on the input level of the signal in the fiber FA, which introduces more flexibility for the design of the amplification device.
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