WO2009138309A1 - Dispositif laser monomode de puissance et systeme d'amplication comportant le dispositif laser - Google Patents

Dispositif laser monomode de puissance et systeme d'amplication comportant le dispositif laser Download PDF

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Arnaud Brignon
Bastien Steinhausser
Jean-Pierre Huignard
Jean-Paul Pocholle
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Thales
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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • the present invention relates to a single mode laser power device and an amplification system comprising the laser device.
  • LMA Large Mode Area fibers having a core diameter of 20 microns to 50 microns larger than that of the core of a single-mode standard fiber.
  • the core has a small numerical aperture (less than 0.1 - typically 0.06) which makes it possible to introduce losses on the high modes.
  • the bigger the heart the more difficult it is to maintain only the fundamental mode.
  • LMA fibers make it possible today to obtain pulse energies limited to 300 ⁇ J, which is too little for Lidar airborne turbulence detection applications for which an energy of at least 1 mJ is necessary.
  • the multimode beam injected into the passive fiber and the monomode beam obtained propagate in the opposite direction along the same axis of propagation.
  • the use of this isolator is restrictive since it forces a propagation in free space between the amplifying multimode fiber and the passive gradient index fiber (thus losing the interest of the fiber source).
  • the insulator introduces high losses (typically more than 50%).
  • the present invention aims to solve the limitations of the solution mentioned above and allows in particular:
  • control of the polarization of the output beam by passive or active techniques.
  • the present invention proposes a monomode laser device of entirely fiber power and making it possible to convert a source multimodes into a single-mode power beam.
  • the subject of the invention is a single-mode power laser device comprising an input fiber section comprising one or more amplifying optical fibers for amplifying a multimode incident optical beam, a conversion fiber section comprising an optical fiber intended for conversion.
  • the multimode incident optical beam in a single-mode power beam an intermediate fiber section comprising an optical fiber allowing the multimode incident optical beam to propagate towards the conversion fiber section, characterized in that: the conversion fiber section comprises an optical fiber index gradient passive signal, said passive optical fiber having a length such that by Brillouin effect the device generates by reflection of the multimode incident optical beam, a monomode optical power beam;
  • the input fiber section and the intermediate fiber section respectively comprise at least a first fiber and a second fiber comprising fiber cores in contact so as to transmit the multimode incident optical beam in the conversion fiber section;
  • the intermediate fiber section comprising a free end constituting the output for a monomode power beam of the device;
  • a variant of this device is characterized in that the intermediate fiber section is composed of a double core index jump fiber whose large core is adapted to the diameter and the numerical aperture of the core of the gradient fiber. index constituting the conversion fiber section, and whose small core is adapted to the size of the single-mode reflected beam created by the Brillouin effect in the gradient index passive fiber.
  • a variant of this device is characterized in that the conversion fiber section and the intermediate fiber section are composed of the same gradient index passive fiber.
  • a variant of this device is characterized in that the input fiber section comprises a plurality of amplifying fibers intended to amplify single-mode optical beams and capable of constituting by combination the multimode incident optical beam.
  • the input fiber section comprises a single amplifying fiber intended to amplify a multimode incident optical beam.
  • a variant of this device is characterized in that the input fiber section comprises several amplifying fibers intended to amplify multimode optical beams and capable of constituting by combination the multimode incident optical beam.
  • a variant of this device is characterized in that the core of the gradient index passive fiber is composed of silica (SiO 2 ).
  • a variant of this device is characterized in that the heart of the passive index gradient fiber is composed of chalcogenide (As 2 S 3 , for example).
  • the invention also relates to a single-mode power amplifier system comprising the single-mode power laser device and a monomode fiber reference oscillator generating a monomode beam of frequency V 0 , characterized in that: it comprises a monomode fiber coupler allowing dividing the monomode beam of frequency V 0 into first and second optical beams; the first optical beam generated by the fiber single-mode reference oscillator being amplified to obtain a multimode power beam and introduced to the input of the single-mode power laser device; the second optical beam generated by the monomode fiber reference oscillator being shifted at the frequency V 0 + ⁇ v B in order to take account of the Brillouin shift ⁇ v B ; the second optical beam thus shifted in frequency being transmitted to the monomode power laser device by its input.
  • a variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises at least one fiber preamplifier, a fiber isolator, a multimode fiber amplifier in order to amplify the first of the two optical beams generated by the oscillator. monomode fiber reference.
  • a variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a polarization controller connected to the input of the single-mode power laser device.
  • a variant of this single-mode power amplification system is characterized in that a fiber is connected at the output of the frequency modulator, said fiber having a periodic curvature, the wavelength of said curvature being chosen so that modes that are not affected by the curvature are eliminated by coupling.
  • a variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a first feedback circuit making it possible to adapt the output of the modulator to variations in the Brillouin shift occurring in the passive index gradient fiber. of the single-mode laser power device.
  • a variant of this single-mode power amplifier system according to the claim is characterized in that the first feedback circuit comprises a weakly reflecting plate and a photodiode.
  • a variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a second feedback circuit for improving the polarization of the optical beam at the output of the single-mode power laser device.
  • a variant of this single-mode power amplifier system is characterized in that the second feedback circuit comprises a polarizer, a photodiode and a polarization controller.
  • FIG. 1 illustrates a first variant of a laser device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a second variant of laser device according to the invention
  • FIG. 3 illustrates a third variant of a laser device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a first variant of a single-mode power amplifier system
  • FIG. 5 illustrates a second variant of a single-mode power amplifier system
  • FIG. 6 illustrates the concept of modal filtering by periodic curvature
  • FIG. 7 illustrates a third variant of a single-mode power amplifier system.
  • the device comprises an input fiber section 1 composed of a fiber adapted to the propagation of a multimode optical beam 2 comprising a sheath 10 and a core 11.
  • This variant further comprises a conversion fiber section 4 composed of a graded index passive fiber 5 comprising a sheath 6 and a core 7 and carrying out the Brillouin mode conversion and an intermediate fiber section 9 composed of a fiber optic to reach the conversion fiber section 4.
  • a multimode incident optical beam presented at the input 17 of the device then propagates in the input fiber section 1, then in the intermediate fiber section 9 to reach the fiber conversion section 4.
  • the Brillouin reflection of the incident wave generates a single-mode optical power beam leaving the device through the output 13. It should be noted that an optical beam may equal be introduced by the end 12 of the device. This point will be explained later in the description.
  • the length of the conversion fiber section 4 composed of a graded index passive fiber 5 is chosen to be large enough for the threshold of the Brillouin effect to be crossed. This length can be, for example, several meters.
  • a remarkable property of the Brillouin effect in a sufficiently long index gradient fiber is that the reflected wave (called Stokes wave) created in the index gradient fiber in the direction of propagation opposite to that of the wave incident (the incident wave 3 is the one that enters the fiber 2 by its end 17 to then propagate in the index gradient fiber 5), is a unique mode of the fiber, while the wave incident is multimode.
  • the choice of a gradient index profile for the passive fiber 4 is therefore motivated by the fact that during the Brillouin reflection phenomenon, the fundamental mode is preferred. Indeed, it was pointed out in the article by L.
  • FIG. 1 illustrates an example in which a multimode optical beam 3 is introduced into the device in an input fiber section 1 composed of a multimode fiber 2 in order to constitute a multimode optical source.
  • the sections 4 and 9 are made within a single fiber characterized by a graded index profile.
  • a double-core index jump fiber 22 whose large core 20 is adapted to the diameter and the numerical aperture of the core 7 of the Index gradient fiber constituting the conversion section.
  • the small core 21 is adapted to the propagation of the Brillouin-generated monomode beam in the graded index fiber 5.
  • the index jump fiber 22 is simply soldered or connectorized to the index gradient fiber 5.
  • the concept of adiabatic coupling between the two types of fibers can also be used by carrying out a stretching operation on one end of the index jump fiber or on the intermediate coupling zone between the index jump fiber structures and with index gradient.
  • N - a z k z n? A a + 2
  • a multimode optical source can be used as is the case for the examples of FIGS. 1 and 2.
  • the single-mode power laser device is adapted accordingly, and this by selecting an appropriate configuration of the input fiber section 1.
  • a possible configuration is illustrated by the example shown in FIG. 3.
  • the source multimode optical is generated by combining two single-mode optical beams 31 and 32.
  • the input fiber section 1 is composed in this case of two monomode fibers 33 and 34. Different configurations of the input fiber section 1 may be chosen so as to adapt to the number of single-mode sources necessary to generate the desired multimode source.
  • the fiber or fibers constituting the input fiber portion 1 are soldered to the fiber of the intermediate fiber portion 9. It will be noted that to simplify the representation of the device in FIGS. 1 to 3, only this mode of realization was considered. The sections 1 and 9 being made of different fibers, no optical isolation is necessary.
  • a second embodiment is to contact the core of the fiber or fibers comprising the input fiber portion 1 with the core of the fiber making up the intermediate fiber portion 9 using the well-known fiber melting technique. so that an evanescent wave appears and can be transmitted from the input fiber section 1 to the intermediate fiber section 9 and then to the conversion fiber section 4.
  • the Brillouin gain g is specific to the constituent material of the core of the index gradient fiber 5, its reflectivity can be influenced by selecting the material constituting the fiber.
  • an index gradient fiber with a Silica core (SiO 2 ) or a chalcogenide core (As 2 S 3 ) to obtain a larger gain Brillouin.
  • These fibers with a chalcogenide core have a higher refractive index than that associated with silica.
  • the nonlinear refractive index (usually called Kerr index) is high, which can positively affect the generation of the Brillouin process but make the threshold of optical damage weaker or generate an extended spectrum by auto-modulation. phase.
  • the single-mode power laser device can be used within a single-mode power amplifier system. This system amplification and its variants are illustrated in FIGS. 4, 5 and 7.
  • a small portion of the input can be injected at the input 12 of the single-mode laser power device.
  • FIG. 4 A first variant of said system is shown in FIG. 4.
  • the single-mode laser power device 40 is soldered to the other fibers involved in the system architecture.
  • the complete source is composed of a fiber single-mode reference oscillator 41.
  • the output of the oscillator is divided into two beams 50 and 51 by means of a single-mode fiber coupler.
  • a part is amplified by means of laser diode pumped preamplifiers 42 followed by a fiber isolator 43.
  • the high energy is finally obtained by a last amplifier stage using a highly multimode fiber 44.
  • the output of this fiber is soldered to the input 17 of the single-mode laser power device 40.
  • the other part of the reference oscillator is shifted in frequency from the Brillouin shift ⁇ v B by means of a modulator 45.
  • the output of the modulator 45 is connected to the input 12 of the single-mode laser power device 40 and the various elements of this branch are connected by monomode fibers 46.
  • the single-mode beam obtained from the multimode beam is then recovered at the output 13 of the device at which a collimator 47 is positioned .
  • the amplification system previously described can be improved by controlling the polarization of the beam by means of a fiber bias controller 48 which can advantageously use PLZT ceramic (device for the dynamic control of the polarization of a beam). optical wave and method of manufacturing the device, Thai Patent No. 02 15994).
  • the resulting monomode output is connected to the input 12 of the single-mode laser power device 40.
  • the single-mode beam obtained from the depolarized multimode beam is then recovered at the output 13 of the single-mode power laser device 40. Note that by choosing the appropriate polarization at the polarization controller, it is possible to obtain a linearly polarized beam at the output of the system.
  • the polarization controller instead of the polarization controller, one can also consider applying a constraint periodic period well adapted to the index gradient fiber to promote linear polarization. Indeed, the application of a curvature to an optical fiber induces a coupling of the guided modes with the continuum of the radiating modes. In an optical fiber that is perfectly symmetrical axially and in a transverse plane, all the eigenvalues (modes) can be decomposed according to two eigenfunctions (polarization states). Under the effect of a micro-curvature, the index profile is modified in the plane of application of the curvature. As illustrated in FIG.
  • the implementation of a periodic curvature on a fiber 71 makes it possible to preferentially couple the modes in a state of polarization to the continuum provided that the orientation of the xy axes is retained. Under the effect of curvature, this change in the index profile results in a change in the spacing between two adjacent modes in the phase space.
  • a periodic micro-curvature the coupling between adjacent modes is favored.
  • the application of a periodic disturbance with a correctly chosen wavelength 70 will favor the coupling elimination of modes that are not affected by the curvature.
  • This modal filtering will be accompanied by a selection of a linear polarization state.
  • FIG. 7 A variation of this system is shown in Fig. 7 and includes active control of bias and frequency shift.
  • the thermal disturbances of the system can cause variations in the polarization of the output beam or energy variations caused by fluctuations in the Brillouin shift frequency.
  • a weakly reflecting (0.1%) plate 65 is placed at the exit of the system to take a small part of the beam.
  • the photodiode 64 makes it possible to control the power of the beam. This power is maximized by adjusting by means of an electronic feedback loop 63 the frequency offset introduced by the modulator 45.
  • the photodiode 61 is placed on the polarization component orthogonal to that which one seeks to obtain through a polarizer 60.
  • the polarization controller 48 is adjusted by a feedback loop 62 to minimize the signal on the photodiode 61.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif laser de puissance, notament utilisable pour des systèmes lidars, ainsi qu'à un système d'amplification comportant le dispositif. Le dispositif comprend un tronçon fibré d'entrée (1) destinées à amplifier un faisceau optique incident multimodes (3), un tronçon fibré de conversion (4) destinée à la conversion du faisceau optique incident multimodes en un faisceau monomode de puissance (8) et un tronçon fibré intermédiaire (9) permettant au faisceau optique incident multimodes (3) de se propager vers le tronçon fibré de conversion (4) et permettant au faisceau optique monomode réfléchi (8) de sortir du dispositif. L'invention a aussi pour objet un système d'amplification monomode de puissance comportant le dispositif laser monomode de puissance de l'invention.

Description

DISPOSITIF LASER MONOMODE DE PUISSANCE ET SYSTEME D'AMPLIFICATION COMPORTANT LE DISPOSITIF LASER
La présente invention concerne un dispositif laser monomode de puissance ainsi qu'un système d'amplification comportant le dispositif laser.
Ces dernières années, des progrès considérables ont été obtenus dans le domaine des lasers à fibre optique, principalement grâce à la poussée des applications de télécommunications. Parallèlement, les lasers à fibres de forte puissance (supérieure à 100 W) ont été étudiés pour les applications industrielles. Les avantages des lasers à fibres sur les lasers à état solide conventionnels (Nd :YAG par exemple) sont en effet nombreux, parmis lesquels on peut citer :
Une grande robustesse, le banc optique dans un laser à fibre étant la fibre elle-même, il n'y a pas de problème de désalignement comme dans un laser classique ; Une grande efficacité avec des rendements électrique- optique jusqu'à deux fois plus importants que pour un laser solide pompé à diodes, celle-ci étant obtenue par le guidage de la pompe et le recouvrement spatial entre la pompe et le signal amplifié ;
Une meilleure répartition de la chaleur dans le milieu actif réduisant les problèmes liés à la gestion de la thermique ; Un meilleur guidage du mode permettant d'obtenir un faisceau de grande qualité spatiale (faisceau monomode) ; La possibilité d'atteindre des gains considérables et de réaliser des amplificateurs efficaces ;
La possibilité d'obtenir une émission à sécurité oculaire (1 ,5 μm) de très grande efficacité (fibres dopées Erbium) ; Un coût potentiellement bas.
Ces avantages rendent les lasers à fibres optiques extrêmement attractifs pour les applications industrielles (découpe, usinage...) et optronique (Lidar, télémètres, illuminateur). Même si des résultats tout à fait remarquables ont déjà été validés avec des fibres monomodes, l'obtention de puissance encore plus grande est rendue impossible par des problèmes de tenue au flux lumineux de la fibre monomode et l'apparition de phénomènes non linéaires parasites (effets Raman, Brillouin,...). Ces phénomènes parasites deviennent encore plus importants pour des systèmes Lidar dans lesquels la source laser fonctionne en régime impulsionnel, monomode spatial et mono-fréquence à grande finesse spectrale.
La réalisation de sources lasers à fibres optiques compactes pour les applications Lidar est par ailleurs de toute première importance pour les systèmes embarqués sur avions pour la détection de vortex et de turbulences, créés en particulier à proximité des pistes d'aéroports par des avions lors de leurs décollages et atterrissages (ce qui peut perturber les conditions de vol des avions qui les suivent et nécessite donc de les espacer fortement). Il y a donc aujourd'hui une réelle attente pour trouver des solutions innovantes permettant de s'affranchir de ces limitations.
On a déjà proposé l'utilisation des lasers de puissance à fibre amplificatrice à très grand cœur diamètre (>100 μm), très fortement multimodes, en tant que dernier étage amplificateur. Le grand diamètre de la fibre permet de réduire l'intensité dans la fibre et d'éviter l'apparition des phénomènes non linéaires parasites. En revanche, le faisceau de sortie de la fibre est fortement multimodes.
Pour limiter la densité d'énergie dans le cœur de la fibre, il est généralement utilisé des fibres LMA (Large Mode Area) possédant un diamètre de cœur de 20 μm à 50 μm plus grand que celui du cœur d'une fibre standard monomode. Afin d'obtenir un faisceau monomode spatial, le cœur possède une faible ouverture numérique (inférieure à 0,1 - typiquement 0,06) ce qui permet d'introduire des pertes sur les modes élevés. Néanmoins, et comme suggéré précédement, plus le cœur est grand, plus il est difficile de maintenir uniquement le mode fondamental. Par ailleurs, il est extrêmement difficile de réaliser un cœur dopé possédant un profil d'indice constant sur tout le diamètre du cœur. La non-uniformité du profil d'indice favorise la propagation d'un mode distordu (en forme de « doughnut ») inutilisable pour les applications envisagées. L'obtention d'un faisceau polarisé à partir de techniques de rupture de symétrie du cœur devient également très difficile avec l'augmentation du diamètre du cœur. L'utilisation de fibres LMA permet d'obtenir aujourd'hui des énergies par impulsion limitées à 300 μJ ce qui est trop peu pour les applications Lidar de détection aéroportée de turbulences pour lesquelles une énergie d'au moins 1 mJ est nécessaire.
Une approche proposée dans une précédente demande de brevet (Procédé de production d'un faisceau laser de puissance et dispositif de mise en œuvre, brevet Thaïes n° 05 09093) consiste à utiliser une fibre amplificatrice fortement multimodes à très grand cœur (supérieur à 50 μm, typiquement 75 μm) avec laquelle il est possible d'extraire de grandes énergies par impulsion sur un faisceau multimode spatial et dépolarisé. Le faisceau multimodes est ensuite converti en un faisceau monomode, polarisé dans une autre fibre passive à gradient d'indice. Cette conversion de mode est obtenue par nettoyage de faisceau (beam cleanup) par diffusion Brillouin stimulée. Dans un premier étage à fibre, on extrait le maximum d'énergie sans se soucier ni de la qualité de faisceau, ni de la polarisation. On obtient la qualité de faisceau et la polarisation souhaitée dans un deuxième étage à fibre. Le faisceau multimode injecté dans la fibre passive et le faisceau monomode obtenu se propagent en sens inverse suivant le même axe de propagation. Cela oblige à utiliser un isolateur de Faraday pour récupérer le faisceau monomode. L'utilisation de cet isolateur est contraignante puisqu'il oblige une propagation en espace libre entre la fibre multimodes amplificatrice et la fibre passive à gradient d'indice (on perd ainsi l'intérêt de la source fibrée). Outre son caractère volumineux, l'isolateur introduit de fortes pertes (typiquement plus de 50%). Par ailleurs, il est également difficile de maintenir la polarisation du faisceau monomode au cours du temps à cause des contraintes thermiques subies par la fibre à gradient d'indice.
La présente invention a pour objet de résoudre les limitations de la solution rappelée ci-dessus et permet notamment :
- la suppression de l'isolateur de Faraday et des pertes associées entre la fibre multimodes amplificatrice et la fibre à gradient d'indice ;
- la suppression des propagations de faisceau en espace libre afin d'accroître la compacité de la source, sa robustesse, son insensibilité aux vibrations et aux chocs ;
- le contrôle de la polarisation du faisceau de sortie par des techniques passives ou actives.
Pour cela, la présente invention propose un dispositif laser monomode de puissance entièrement fibre et permettant de convertir une source multimodes en un faisceau monomode de puissance.
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif laser monomode de puissance comportant un tronçon fibre d'entrée comprenant une ou plusieurs fibres optiques amplificatrices destinées à amplifier un faisceau optique incident multimodes, un tronçon fibre de conversion comprenant une fibre optique destinée à la conversion du faisceau optique incident multimodes en un faisceau monomode de puissance, un tronçon fibre intermédiaire comprenant une fibre optique permettant au faisceau optique incident multimode de se propager vers le tronçon fibre de conversion, caractérisé en ce que : le tronçon fibre de conversion comporte une fibre optique passive à gradient d'indice, ladite fibre optique passive présentant une longueur telle que par effet Brillouin le dispositif génère par réflexion du faisceau optique incident multimodes, un faisceau optique monomode de puissance ; le tronçon fibre d'entrée et le tronçon fibre intermédiaire comportent respectivement au moins une première fibre et une seconde fibre comprenant des cœurs de fibre en contact de manière à transmettre le faisceau optique incident multimodes dans le tronçon fibre de conversion ; le tronçon fibre intermédiaire comportant une extrémité libre constituant la sortie pour un faisceau monomode de puissance du dispositif ;
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibre intermédiaire est composé d'une fibre à saut d'indice à double cœur dont le grand cœur est adapté au diamètre et à l'ouverture numérique du cœur de la fibre à gradient d'indice composant le tronçon fibre de conversion, et dont le petit cœur est adapté à la taille du faisceau réfléchi monomode crée par effet Brillouin dans la fibre passive à gradient d'indice.
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibre de conversion et le tronçon fibre intermédiaire sont composés de la même fibre passive à gradient d'indice.
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibre d'entrée comporte plusieurs fibres amplificatrices destinées à amplifier des faisceaux optiques monomodes et susceptibles de constituer par combinaison le faisceau optique incident multimode. Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibre d'entrée comporte une fibre amplificatrice unique destinée à amplifier un faisceau optique incident multimodes.
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibre d'entrée comporte plusieurs fibres amplificatrices destinées à amplifier des faisceaux optiques multimodes et susceptibles de constituer par combinaison le faisceau optique incident multimodes.
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le cœur de la fibre passive à gradient d'indice est composé de silice (SiO2).
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le cœur de la fibre passive à gradient d'indice est composé de chalcogénure (As2S3, par exemple).
L'invention a aussi pour objet un système d'amplification monomode de puissance comportant le dispositif laser monomode de puissance et un oscillateur de référence monomode fibre générant un faisceau monomode de fréquence V0, caractérisé en ce que : il comporte un coupleur fibre monomode permettant de diviser le faisceau monomode de fréquence V0 en un premier et un second faisceaux optiques ; le premier faisceau optique généré par l'oscillateur de référence monomode fibre étant amplifié de manière à obtenir un faisceau multimode de puissance et introduit à l'entrée du dispositif laser monomode de puissance ; le second faisceau optique généré par l'oscillateur de référence monomode fibre étant décalé à la fréquence V0 + δvB afin de tenir compte du décalage Brillouin δvB ; le second faisceau optique ainsi décalé en fréquence étant transmis au dispositif laser monomode de puissance par son entrée.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un préamplificateur à fibre, un isolateur fibre, un amplificateur à fibre multimode afin d'amplifier le premier des deux faisceaux optiques généré par l'oscillateur de référence monomode fibre.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un modulateur de fréquence permettant de décaler fréquenciellement le second des deux faisceaux optiques généré par l'oscillateur de référence monomode fibre à la fréquence
V0 + δvB.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un contrôleur de polarisation connecté à l'entrée du dispositif laser monomode de puissance.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'une fibre est connectée en sortie du modulateur de fréquence, ladite fibre comportant une courbure périodique, la longueur d'onde de ladite courbure étant choisie de telle manière à ce que les modes qui ne sont pas affectés par la courbure sont éliminés par couplage.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'il comporte un premier circuit de contre- réaction permettant d'adapter la sortie du modulateur aux variations du décalage de Brillouin intervenant dans la fibre passive à gradient d'indice du dispositif laser monomode de puissance.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance selon la revendication est caractérisée en ce que le premier circuit de contre- réaction comporte une lame faiblement réfléchissante et une photodiode.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un second circuit de contre-réaction permettant d'améliorer la polarisation du faisceau optique à la sortie du dispositif laser monomode de puissance.
Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce que le second circuit de contre-réaction comporte un polariseur, une photodiode et un contrôleur de polarisation.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la decription qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre une première variante de dispositif laser selon l'invention ; la figure 2 illustre une seconde variante de dispositif laser selon l'invention ; la figure 3 illustre une troisième variante de dispositif laser selon l'invention ; la figure 4 illustre une première variante de système d'amplification monomode de puissance ; la figure 5 illustre une seconde variante de système d'amplification monomode de puissance ; la figure 6 illustre le concept de filtrage modal par courbure périodique ; la figure 7 illustre une troisième variante de système d'amplification monomode de puissance.
Une première variante de l'invention est illustrée par la figure 1 , le dispositif comprend un tronçon fibre d'entrée 1 composé d'une fibre adaptée à la propagation d'un faisceau optique multimodes 2 comprenant une gaine 10 et un cœur 1 1. Cette variante comprend en outre un tronçon fibre de conversion 4 composé d'une fibre passive à gradient d'indice 5 comprenant une gaine 6 et un cœur 7 et réalisant la conversion de mode par effet Brillouin et un tronçon fibre intermédiaire 9 composé d'une fibre optique pour atteindre le tronçon fibre de conversion 4. Un faisceau optique incident multimodes présenté à l'entrée 17 du dispositif se propage alors dans le tronçon fibre d'entré 1 , puis dans le tronçon fibre intermédiaire 9 pour atteindre le tronçon fibre de conversion 4. La réflexion par effet Brillouin de l'onde incidente génère un faisceau optique monomode de puissance quittant le dispositif par la sortie 13. Il faut noter qu'un faisceau optique peut également être introduit par l'extrémité 12 du dispositif. Ce point sera explicité plus tard dans la description.
La longueur du tronçon fibre de conversion 4 composé d'une fibre passive à gradient d'indice 5 est choisie suffisamment grande pour que le seuil de l'effet Brillouin soit franchi. Cette longueur peut être, par exemple, de plusieurs mètres. Une propriété remarquable de l'effet Brillouin dans une fibre à gradient d'indice suffisamment longue est que l'onde réfléchie (dite onde Stokes) créée dans la fibre à gradient d'indice dans le sens de propagation inverse à celui de l'onde incidente (l'onde incidente 3 est celle qui entre dans la fibre 2 par son extrémité 17 pour se propager ensuite dans la fibre à gradient d'indice 5), est un mode unique de la fibre, alors que l'onde incidente est multimode. Le choix d'un profil à gradient d'indice pour la fibre passive 4 est donc motivé par le fait que lors du phénomène de réflexion Brillouin, le mode fondamental est privilégié. En effet, il a été souligné dans l'article de L. Lombard, A. Brignon, J. -P. Huignard et E. Lallier intitulé Beam cleanup in a self-aligned gradient-index Brillouin cavity for high-power multimode fiber amplifiers, Optics letters / Vol. 31 , N °. 2 / 15 janvier 2006, que lorsque que l'on introduit une onde optique multimodes dans une fibre passive à gradient d'indice, le gain de réflectivité Brillouin est maximisé pour le mode fondamental de la fibre.
Il a été précédement décrit que le dispositif au cœur de cette invention permet de convertir une source multimodes en une source monomode de puissance. La figure 1 illustre un exemple dans lequel un faisceau optique multimodes 3 est introduit dans le dispositif dans un tronçon fibre d'entrée 1 composé d'une fibre multimodes 2 afin de constituer un source optique multimode.
Les tronçons 4 et 9 sont réalisés au sein d'une même fibre caractérisée par un profil à gradient d'indice.
En mettant en contact le cœur de la ou des fibres composants le tronçon d'entrée 1 avec le cœur de la fibre composant le tronçon intermédiaire 9, il se peut que le profil d'indice de la fibre composant le tronçon intermédiaire 9 soit altéré et donc que la transmission monomode générée par effet Brillouin soit perturbée.
Dans ce cas, et comme cela est montré figure 2, il peut être judicieux d'utiliser une fibre à saut d'indice 22 à double cœur dont le grand cœur 20 est adapté au diamètre et à l'ouverture numérique du cœur 7 de la fibre à gradient d'indice 5 constitutive du tronçon de conversion. Le petit cœur 21 , est adapté à la propagation du faisceau monomode créé par effet Brillouin dans la fibre à gradient d'indice 5. La fibre à saut d'indice 22 est simplement soudée ou connectorisée à la fibre à gradient d'indice 5. Le concept de couplage adiabatique entre les deux types de fibres peut également être utilisé en réalisant une opération d'étirement sur une extrémité de la fibre à saut d'indice ou sur la zone intermédiaire de couplage entre les structures fibrées à saut d'indice et à gradient d'indice.
Afin de minimiser les pertes en transmission entre la fibre à saut d'indice 22 (appelée également « à échelon d'indice ») et la fibre à gradient d'indice 5, il est possible d'optimiser les paramètres opto-géométriques de ces deux structures. Le nombre de modes pouvant être véhiculés par une fibre optique fortement multimode s'exprime via la relation :
a
N = - azkzn?A a + 2
où a caractérise la distribution du gradient d'indice du cœur de la fibre, a est le rayon du cœur, ni est l'indice de réfraction optique du matériau de cœur, n2 est l'indice de réfraction de la gaine optique et Δ est la différence d'indice relative ( A = - — - ).
H1
A partir de cette relation définissant le nombre de modes pouvant être excités et en considérant les paramètres a = ∞ (caractérisant une fibre à saut d'indice) et a = 2 (caractérisant une fibre à gradient d'indice), on observe que pour des paramètres opto-géométriques identiques, les pertes en transmission sont de 3dB. Une alternative répandue consiste à utiliser une fibre à gradient satisfaisant à la règle de conservation du nombre de modes, ce qui revient à employer une fibre multimode à gradient d'indice présentant une différence d'indice relative deux fois plus élevée que celle qui caractérise la fibre multimode à saut d'indice. Cette remarque doit être cependant tempérée si la propriété de filtrage modal propre à l'association d'une fibre à saut d'indice et d'une fibre à gradient d'indice est utilisée.
Afin de générer la source optique multimodes appliquée en entrée du dispositif, une source optique multimode peut être utilisée comme c'est le cas pour les exemples des figures 1 et 2.
Une alternative est d'utiliser plusieurs sources monomodes. Dans ce cas, le dispositif laser monomode de puissance est adapté en conséquence, et ce en sélectionnant une configuration appropriée du tronçon fibre d'entrée 1. Un configuration possible est illustrée grâce à l'exemple présenté figure 3. Dans cet exemple, la source optique multimodes est générée par combinaison de deux faisceaux optiques monomodes 31 et 32. Le tronçon fibre d'entrée 1 est composé dans ce cas de deux fibres monomodes 33 et 34. Différentes configurations du tronçon fibre d'entrée 1 peuvent être choisies de manière à s'adapter au nombre de sources monomodes nécessaires à la génération de la source multimodes désirée.
Afin que le faisceau optique incident entrant dans le dispositif puisse se propager dans le tronçon fibre de conversion 4, deux modes de réalisations peuvent être envisagés dans le but de mettre en contact le ou les cœurs du tronçon fibre d'entrée 1 avec le cœur du tronçon fibre intermédiaire 9.
Dans un premier mode de réalisation, la ou les fibres constitutives du tronçon fibre d'entrée 1 sont soudées à la fibre du tronçon fibre intermédiaire 9. On notera que pour simplifier la représentation du dispositif sur les figures 1 à 3, seul ce mode de réalisation a été considéré. Les tronçons 1 et 9 étant constitués de fibres différentes, aucune isolation optique n'est nécessaire.
Un second mode de réalisation est de mettre en contact le cœur de la ou des fibres composant le tronçon fibre d'entrée 1 avec le cœur de la fibre composant le tronçon fibre intermédiaire 9 en utilisant la technique de fusion de fibre, procédé bien connu, de manière à ce qu'une onde évanescente apparaisse et puisse être transmise du tronçon fibre d'entrée 1 au tronçon fibre intermédiaire 9 puis au tronçon fibre de conversion 4.
Par ailleurs, la réflectivité Brillouin R est directement liée au gain Brillouin g, à l'intensité d'entrée I et à la longueur L de la fibre à gradient d'indice 5 composant le tronçon fibre de conversion 4 par la formule R=gxlxL. Le gain Brillouin g étant propre à la matière constituante du cœur de la fibre à gradient d'indice 5, on peut influer sur sa réflectivité en sélectionnant le matériau constituant la fibre. Ainsi, on peut choisir d'utiliser une fibre à gradient d'indice avec un cœur en Silice (SiO2) ou bien un cœur en chalcogénure (As2S3) pour obtenir un gain Brillouin plus important. Ces fibres dotées d'un cœur en chalcogénure présentent un indice de réfraction plus élevé que celui associé à la silice. Par ailleurs, l'indice de réfraction non linéaire (appelé habituellement indice de Kerr) est élevé ce qui peut affecter de manière positive la génération du processus Brillouin mais rendre le seuil d'endommagement optique plus faible ou générer un spectre étendu par auto-modulation de phase.
Le dispositif laser monomode de puissance, dont plusieurs variantes ont été décrites avec le support des figures 1 à 3, peut être utilisé au sein d'un système d'amplification monomode de puissance. Ce système d'amplification et ses variantes sont illustrés par les figures 4, 5 et 7. Afin de maintenir la largeur spectrale de l'oscillateur de référence, on peut injecter au niveau de l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance une petite partie du faisceau monomode issue de l'oscillateur de référence 41 et décalé en fréquence du décalage Brillouin (environ 10 GHz).
Une première variante dudit système est représentée sur la figure 4. Le dispositif laser monomode de puissance 40 est soudé aux autres fibres intervenant dans l'architecture de système. La source complète est composée d'un oscillateur de référence monomode fibre 41. La sortie de l'oscillateur est divisée en deux faisceaux 50 et 51 au moyen d'un coupleur fibre monomode. Une partie est amplifiée au moyen de préamplificateurs fibres pompés par diodes lasers 42 suivi d'un isolateur fibre 43. La forte énergie est finalement obtenue par un dernier étage amplificateur utilisant une fibre fortement multimodes 44. La sortie de cette fibre est soudée à l'entrée 17 du dispositif laser monomode de puissance 40. L'autre partie de l'oscillateur de référence est décalée en fréquence du décalage Brillouin δvB au moyen d'un modulateur 45. La sortie du modulateur 45 est reliée à l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance 40 et les différents éléments de cette branche sont reliés grâce des fibres monomodes 46. Le faisceau monomode obtenu à partir du faisceau multimode est ensuite récupéré au niveau de la sortie 13 du dispositif au niveau de laquelle un collimateur 47 est positionné.
Comme le montre la figure 5, le système d'amplification précédemment décrit peut être amélioré en contrôlant la polarisation du faisceau grâce à un contrôleur de polarisation fibre 48 qui peut utiliser avantageusement de la céramique PLZT (Dispositif de contrôle dynamique de la polarisation d'une onde optique et procédé de fabrication du dispositif, brevet Thaïes n° 02 15994). La sortie monomode en résultant est reliée à l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance 40. Le faisceau monomode obtenu à partir du faisceau multimode dépolarisé est ensuite récupéré au niveau de la sortie 13 du dispositif laser monomode de puissance 40. Il est à noter qu'en choisissant la polarisation adéquate au niveau du contrôleur de polarisation, il est possible d'obtenir un faisceau polarisé linéairement en sortie du système. A la place du contrôleur de polarisation, on peut également envisager d'appliquer une contrainte périodique de période bien adaptée sur la fibre à gradient d'indice pour favoriser une polarisation linéaire. En effet, l'application d'une courbure à une fibre optique induit un couplage des modes guidés avec le continuum des modes rayonnants. Dans une fibre optique parfaitement symétrique axialement et dans un plan transverse, on peut décomposer tous les états propres (modes) selon deux fonctions propres (états de polarisation). Sous l'effet d'une micro-courbure, le profil d'indice se trouve modifié dans le plan d'application de la courbure. Comme illustré figure 6, la mise en œuvre d'une courbure périodique sur une fibre 71 permet de coupler préférentiellement les modes dans un état de polarisation au continuum à la condition que l'orientation des axes x-y soient conservés. Sous l'effet de la courbure, cette modification du profil d'indice se traduit par une modification de l'espacement entre deux modes adjacents dans l'espace de phase. Par application d'une micro-courbure périodique, le couplage entre modes adjacents est favorisé. Ainsi, l'application d'une perturbation périodique avec une longueur d'onde 70 correctement choisie favorisera l'élimination par couplage des modes qui ne sont pas affectés par la courbure. Ce filtrage modal s'accompagnera d'une sélection d'un état de polarisation linéaire.
Une variante de ce système est présentée en figure 7 et inclut un contrôle actif de la polarisation et du décalage en fréquence. En effet les perturbations thermiques du système peuvent provoquer des variations de la polarisation du faisceau de sortie ou des variations d'énergie provoquées par des fluctuations de la fréquence de décalage Brillouin. Pour éviter ces fluctuations, on place à la sortie du système une lame faiblement réfléchissante (0,1 %) 65 pour prélever une petite partie du faisceau. La photodiode 64 permet de contrôler la puissance du faisceau. On maximise cette puissance en ajustant au moyen d'une boucle électronique de contre- réaction 63 le décalage en fréquence introduit par le modulateur 45. De la même façon, la photodiode 61 est placée sur la composante de polarisation orthogonale à celle que l'on cherche à obtenir grâce à un polariseur 60. On ajuste le contrôleur de polarisation 48 grâce à une boucle de contre-réaction 62 pour minimiser le signal sur la photodiode 61.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif laser monomode de puissance comportant un tronçon fibre d'entrée (1 ) comprenant au moins une fibre optique amplificatrice (2) destinée à amplifier un faisceau optique incident multimodes (3) injecté dans ladite fibre par au moins un entrée principale (17), un tronçon fibre de conversion (4) comprenant une fibre optique (5) destinée à la conversion du faisceau optique incident multimodes en un faisceau monomode de puissance (8), un tronçon fibre intermédiaire (9) comprenant une fibre optique permettant au faisceau optique incident multimodes (3) de se propager vers le tronçon fibre de conversion (4) et caractérisé en ce que : le tronçon fibre de conversion (4) comporte une fibre optique passive à gradient d'indice (5), ladite fibre optique passive présentant une longueur telle que par effet Brillouin le dispositif génère par réflexion du faisceau optique incident multimodes (3), un faisceau optique monomode de puissance (8), l'extrémité libre dudit tronçon (12) pouvant être utilisée comme entrée secondaire du dispositif ; le tronçon fibre d'entrée et le tronçon fibre intermédiaire comportent respectivement au moins une première fibre et une seconde fibre comprenant des cœurs de fibre (1 1 , 14) en contact de manière à transmettre le faisceau optique incident multimodes (3) dans le tronçon fibre de conversion (4). le tronçon fibre intermédiaire comportant une extrémité libre (13) constituant la sortie pour un faisceau monomode de puissance du dispositif ;
2- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le tronçon fibre intermédiaire (9) est composé d'une fibre à saut d'indice à double cœur dont le grand cœur (20) est adapté au diamètre et à l'ouverture numérique du cœur (7) de la fibre à gradient d'indice (5) composant le tronçon fibre de conversion (4), et dont le petit cœur (21 ) est adapté à la taille du faisceau réfléchi monomode (8) crée par effet Brillouin dans la fibre passive à gradient d'indice (5).
3- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le tronçon fibre de conversion (4) et le tronçon fibre intermédiaire (9) sont composés de la même fibre passive à gradient d'indice.
4- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tronçon fibre d'entrée comporte plusieurs fibres amplificatrices destinées à amplifier des faisceaux optiques monomodes et susceptibles de constituer par combinaison le faisceau optique incident multimodes. 5- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tronçon fibre d'entrée (1 ) comporte une fibre amplificatrice unique (2) destinée à amplifier un faisceau optique incident multimodes
(3).
6- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cœur (7) de la fibre passive à gradient d'indice (5) est composé de silice (SiO2).
7- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cœur (7) de la fibre passive à gradient d'indice (5) est composé de chalcogénure (As2S3). 8- Système d'amplification monomode de puissance comportant le dispositif laser monomode de puissance (40) selon l'une des revendications précédentes et un oscillateur de référence monomode fibre (41 ) générant un faisceau monomode de fréquence V0, caractérisé en ce que : - il comporte un coupleur fibre monomode permettant de diviser le faisceau monomode de fréquence V0 en un premier et un second faisceaux optiques (50) et (51 ) ; le premier faisceau optique (50) généré par l'oscillateur de référence monomode fibre (41 ) étant amplifié de manière à obtenir un faisceau multimodes de puissance et introduit à l'entrée principale (17) du dispositif laser monomode de puissance (40) ; le second faisceau optique (51 ) généré par l'oscillateur de référence monomode fibre (41 ) étant décalé à la fréquence V0 + δvB afin de tenir compte du décalage Brillouin δvB ; le second faisceau optique ainsi décalé en fréquence étant transmis au dispositif laser monomode de puissance (40) par son entrée secondaire (12).
9- Système d'amplification monomode de puissance selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un préamplificateur à fibre (42), un isolateur fibre (43), un amplificateur à fibre multimodes (44) afin d'amplifier le premier des deux faisceaux optiques (50) généré par l'oscillateur de référence monomode fibre (41 ).
10- Système d'amplification monomode de puissance selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur de fréquence (45) permettant de décaler fréquenciellement le second des deux faisceaux optiques (51 ) généré par l'oscillateur de référence monomode fibre (41 ) à la fréquence V0 + δvB.
1 1 - Système d'amplification monomode de puissance selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte un contrôleur de polarisation (48) connecté à l'entrée secondaire (12) du dispositif laser monomode de puissance (40).
12- Système d'amplification monomode de puissance selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce qu'une fibre est connectée en sortie du modulateur de fréquence, ladite fibre comportant une courbure périodique, la longueur d'onde (70) de ladite courbure étant choisie de telle manière à ce que les modes qui ne sont pas affectés par la courbure sont éliminés par couplage ;
13- Système d'amplification monomode de puissance selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisé en ce qu'il comporte un premier circuit de contre-réaction (63) permettant d'adapter la sortie du modulateur (45) aux variations du décalage de Brillouin intervenant dans la fibre passive à gradient d'indice du dispositif laser monomode de puissance (40). 14- Système d'amplification monomode de puissance selon la revendication 12 caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction (63) comporte une lame faiblement réfléchissante (65) et une photodiode (64).
15- Système d'amplification monomode de puissance selon l'une des revendications 8 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte un second circuit de contre-réaction (62) permettant d'améliorer la polarisation du faisceau optique à la sortie (13) du dispositif laser monomode de puissance (40).
16- Système d'amplification monomode de puissance selon la revendication 15 caractérisé en ce que le second circuit de contre- réaction (62) comporte un polariseur (60), une photodiode (61 ) et un contrôleur de polarisation (48).
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