23èmes Journées Nationales d'Optique Guidée Les 25, 26 et 27 octobre 2004 à Télécom Paris.

Génération d'impulsions liées et verrouillage de modes harmonique dans un laser à fibre double gaine dopée à l'ytterbium B. Ortaç, A. Hideur, M. Brunel Groupe d’Optique et d’Optronique, CORIA UMR 6614, Université de Rouen Place Emile Blondel, 76821 Mont Saint Aignan Cedex, France

Plan de l’exposé : Le laser à fibre dopée à l’ytterbium Génération d'impulsions liées Verrouillage de modes harmonique Conclusion

La dispersion totale de la cavité: Le laser à fibre dopée à l’ytterbium pompe @ 975 nm CP encoche fibre double gaine dopée Yb3+ Isolateur / polariseur sortie l/2 réseau (1) réseau (2) miroir d Fibre double – gaine dopée Yb 3+ et pompe Isolateur optique PC Réseaux Sortie Coupleur de sortie variable Dispersion totale de la cavité variable Contrôleurs de polarisation La dispersion totale de la cavité: b2tot L = b2fibre Lfibre + 2 d b2réseaux

Le verrouillage de modes par rotation non-linéaire de la polarisation Contrôleur de polarisation Fibre (milieu Kerr) Analyseur Polariseur Impulsion d’entrée de sortie Système à transmission non-linéaire favorisant le fonctionnement impulsionnel par rapport au continu. Ce processus est auto-démarrant dans la cavité en anneau unidirectionnelle.

Fonctionnements multi-impulsionnels Le régime mono-impulsionnel

Fonctionnements multi-impulsionnels Le régime mono-impulsionnel Le régime à multi-impulsions non-liées

Fonctionnements multi-impulsionnels Le régime mono-impulsionnel Le régime à multi-impulsions liées t f T  50 ns  t = quelques 10 ps

Fonctionnements multi-impulsionnels Le régime mono-impulsionnel Le régime à multi-impulsions liées t f T  50 ns  t = quelques 10 ps Le régime de verrouillage de modes harmonique T/2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) T Intensité (u. a.) La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) Intensité (u. a.) La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) Intensité (u. a.) La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) Intensité (u. a.) La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) Intensité (u. a.) T La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2 Génération d'impulsions liées largement séparées Évolution du signal temporel -10 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 Temps (ns) Intensité (u. a.) T Spectre optique 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (u. a.) Longueur d'onde (nm) 30 nm Puissance de pompe = 1.86 W -2 -1 1 2 3 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1 2 3 4 5 Intensité (u. a.) Temps (ns) Détails d ’une impulsion 1040 1050 1060 1070 1080 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (u. a.) Longueur d'onde (nm) 27 nm Puissance de pompe = 1.75 W La dispersion totale de la cavité: 2tot = + 0.047 ps2

Mesures de bruit du laser Génération d'impulsions liées largement séparées 1059,6 1059,8 1060,0 1060,2 1060,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (u. a.) Longueur d'onde (nm) 0.03 nm Détail du spectre optique Deux impulsions liées avec : durée des impulsions = 140 fs temps de séparation = 125 ps énergie par impulsion = 1.75 nJ Mesures de bruit du laser États non-liés États liés Gigue temporelle (ps) 15.3 7.13 f1 @ 3 dB -1.5 MHz – +1.5 MHz -2 MHz – +2 MHz Bruit d’amplitude (%) 0.88  0.2 f2 -7 MHz – +7 MHz Méthode de D. Von der Linde : Applied Physics B, 1986. 0.85

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 36 % 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 62 % 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 62 % 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 62 % 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 62 % 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) 10 20 30 40 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Intensité (u. a.) Temps (ns) Puissance de pompe = 2.05 W Évolution du signal temporel 200 400 600 800 1000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) Couplage de sortie = 62 % La dispersion totale de la cavité: 2tot L = -0.01 ps2

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion anormale) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (u. a.) Longueur d'onde (nm) 1040 1050 1060 1070 1080 Spectre optique -10 -8 -6 -4 -2 2 4 6 8 10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (u. a.) Retard (ps) 1.54 x 1 ps Trace d’autocorrélation Puissance de pompe = 2.05 W Puissance de sortie = 50 mW Énergie par impulsion = 125 pJ Le nombre d’impulsions dans la cavité = 20 Taux de répétition = 408 MHz Suppression de la fréquence fondamentale > 30 dB

Le verrouillage de modes harmonique (régime de dispersion normale) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 Intensité (10 dB / div) Fréquence (MHz) -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Retard (ps) Intensité (u. a.) 1.41 x 116 fs 1030 1040 1050 1060 1070 1080 28 nm Longueur d'onde (nm) Puissance de pompe = 2.15 W Puissance de sortie = 170 mW Énergie par impulsion = 1.7 nJ Le nombre d’impulsions dans la cavité = 5 Taux de répétition = 102 MHz Suppression de l’harmonique fondamentale > 60 dB La dispersion totale de la cavité: 2tot L = +0.047 ps2

Conclusions Laser à fibre à verrouillage de modes par rotation non-linéaire de la polarisation Génération d’états liés de deux impulsions de 140 fs de durée et de plus de 120 ps de séparation Génération d’impulsions courtes à haute cadence Références 1. B. Ortaç et al., “Binding of widely-separated pulses with a passively mode-locked high-power Yb-doped double-clad fiber laser,” Applied Physics B, vol. 79, pp. 185–192, 2004. 2. B. Ortaç et al., “Passive harmonic mode locking in a high-power Yb-doped double-clad fiber laser,” Optics Letters, vol. 29, pp. 1995–1997, 2004.