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Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion 25-27 octobre 2004JNOG04, Paris1 S. GROT 1, L. GOLDBERG 1, P. BESNARD 2, Y. JAOUËN 3 1 KEOPSYS SA.

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1 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris1 S. GROT 1, L. GOLDBERG 1, P. BESNARD 2, Y. JAOUËN 3 1 KEOPSYS SA 21, rue Louis de Broglie Lannion 2 ENSSAT, LO, UMR FOTON, 6 rue de Kerampont, F Lannion 3 GET Telecom Paris, CNRS UMR 5141, 46 rue Barrault, Paris GENERATION DIMPULSIONS NANOSECONDE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE Yb 3+

2 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris2 Contexte, applications des sources pulsées à 1micron ContexteContexte oGénération de sources à 1 µm utile pour de nombreuses applications: Médicales : pompage optique de lHélium à 1083 nm, Militaires : guidage laser, Scientifiques : amplification de sources très cohérentes à 1 µm, Industrielles : laser de marquage (en régime continu ou dimpulsions), laser de découpe oForts niveaux de puissance de sortie technologie à fibre double-gaine. oApplication LIDAR (identification, détection, communication) : amplification en régime dimpulsions

3 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris3 Principe de lamplification en régime dimpulsions : Durée de limpulsion, f : fréquence de répétition, Ppeak : Puissance crête T(ns) f P(W) Ppeak Signal de sortie P(W) T(ns) Signal source à amplifier Source laser pulsée Fibre dopée Yb 3+ Module de pompe M 2 : Définie la qualité de faisceau Monomode (SM) ou Multimode(MM). MOPFA: Master Oscillator Power Fiber Amplifier Amplification dune source laser de faible puissance crête (puissance moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée. Amplification dune source laser de faible puissance crête (puissance moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée. Isolateur Termes employés:

4 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris4 CŒUR DOPE 1ère GAINE Signal Pompe POLYMERE La pompe se propage dans la première gaine. Le signal se propage dans le cœur. Absorption de la pompe quand le champ traverse les ions dopants (cœur). O.N. typique de la gaine : 0.45 O.N. typique du cœur : 0.12 Rompre la symétrie de révolution optimiser le mélange de modes et donc labsorption Présentation des technologies à fibres double-gaine Fibre double gaine ? Fibre double gaine ? o Cœur dopé Yb : 4 à 30 µm o 1 ère gaine silice pure : 50 à 300 µm o 2 ème gaine polymère

5 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris5 Introduction aux effets non linéaires Théorie linéaire :Théorie linéaire : atténuation et dispersion Théorie non linéaire :Théorie non linéaire : interaction entre le milieu et les signaux –produit élevé Effet Kerr (SPM, XPM, FWM) Diffusion Brillouin (SBS) Diffusion Raman (SRS) Non-linéarités … … fspsnsµsms SPM SBS SRS durée de limpulsion effet Interactions élastiques (n dépend de t) Interactions inélastiques

6 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris6 Effets non linéaires et seuil dapparition TypeNom Largeur impulsion P crête seuil (*) Effet sur le signal KERR réponse quasi- instantanée du milieu Automodulation de phase SPM 0,1 – 10 ps Qq 10 aines W/m Déformation du spectre Mélange à quatre ondes FWM - < P crête seuil SRS si accord de phase DIFFUSION échange dénergie avec le milieu Diffusion Brillouin stimulée SBS 10 ns – 10 µsQq W/m Déformation temporelle, limitation de lénergie Diffusion Raman stimulée SRS 1 ns – 1 ps Qq 100 aines W/m Limitation de la cohérence des sources (*) Valeurs typiques pour une fibre de diamètre de mode µm 2

7 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris7 But:But: Obtenir une puissance crête > 1 kW en minimisant linfluence des effets NL et en préservant la cohérence de la source Le signal dentrée :Le signal dentrée : oLongueur donde : 1060 nm utilisation de FDG dopées Yb 3+ oLargeur à mi-hauteur < 0.2 nm amplification dune source à spectre étroit oDurée dimpulsion : 2 ns oTaux de répétition : 3-30 MHz oPuissance moyenne : ~1 mW (crête 150 mW) A 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ µm 2A 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ µm 2 seuils des effets NL rabaissés dun facteur 2 à 4. oSBS (impulsion < 10 ns) oSPM possible (impulsion > 100 ps) oSRS possible Stratégie à priori :Stratégie à priori : oPompage à 977 nm oFaible longueur de FDG dopée Yb3+ Amplification dun signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1)

8 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris8 Résultats expérimentauxRésultats expérimentaux o Pas de limitation due au SBS : observation du signal en contra-propagation o Limitation forte due au SRS dans une fibre monomode pour ~ qqs 100 W crête: Architecture non optimisée P sortie = 0,27 kW spectre de gain de la silice pure P sortie = 0,59 kW déclenchement du SRS dans la fibre dopée Yb 3+ spectre de gain modifié P sortie = 0,76 kW pic de gain Raman dordre 2 Laser p = 1060 nm = 2 ns f rep = 3 MHz Filtre ASE Pré-amplificateur Fibre, 2 m D = 6,6 µm P in = 0,1 W Fibre dopée Yb 3+, 7 m, SM, D=6.6 µm Amplification dun signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2)

9 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris9 Résultats expérimentauxRésultats expérimentaux Apparition dun élargissement spectral par effet Kerr dès létage de préamplification (dès qq 10 aines de W crêtes) si le choix de la source est non optimisé Puissance crête: <40W Puissance crête : <140W Amplification dun signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3) Exemple: source Fabry-Perot avec réseau de Bragg en cavité externe f=3MHz = 2ns D= 6.6µm

10 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris10 Amplification dun signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (4) Largeur à mi-hauteur : 0.375nm Largeur à mi-hauteur : 0.1nm Source 1: Fabry-Perot avec réseau de Bragg placé en cavité externe FWHM < 0.2nm Source 2: Laser en cavité externe FWHM < 0.2nm Puissance crête > 1.3kW Diamètre de cœur 13 µm Puissance crête < 900W Diamètre de cœur : 15 µm

11 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris11 Analyse : -Influence des effets NL: SBS SRS amplification sur fibre MM Effet Kerr : minimisation élargissement spectral par effet Kerr Source à spectre étroit Amplification sur fibre MM ° densité dénegie °seuil des effets NL autorise ° longueur fibre dopée si besoin -Choix de la source primordiale Amplification dun signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5) Architecture damplificateur optimisée Architecture damplificateur optimisée tenant compte des effets NL tenant compte des contraintes de disponibilité des composants (pompage 920nm)

12 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris12 Amplification dun signal spectralement fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6) Résultats: - >10W moyen avec une efficacité optique >75% (>14% électrique) pour létage booster pour une puissance crête > 1.7kW - Pureté spectrale de la source conservée avec > 80% de Ptotale dans 1nm autour de la longueur donde centrale. La largeur à mi-hauteur restant <0.2nm - Pas de remontée gênante de la SRS (SNR > 28dB)

13 Contexte Principe FDG Effets NL Résultats Conclusion octobre 2004JNOG04, Paris13 Conclusion et perspectives Amplification de sources très cohérentes:Amplification de sources très cohérentes: –Nécessité daugmenter le seuil deffets NL diminuer la densité dénergie (fibre à large cœur, faible ouverture numérique i.e. plus grand diamètre de mode) –Maximiser le gain/m : fibre à cœur très dopé. Amplification en régime dimpulsions Amplification en régime dimpulsions –Apparition deffets non linéaire dès <100 W crête en amplification à 1 µm (SPM) –La minimisation de ces effets passe par une sélection de la nature de la source à amplifier.


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