GENERATION D’IMPULSIONS NANOSECONDE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE Yb3+ S. GROT1, L. GOLDBERG1, P.

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1 GENERATION D’IMPULSIONS NANOSECONDE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE Yb3+ S. GROT1, L. GOLDBERG1, P. BESNARD2, Y. JAOUËN3 1 KEOPSYS SA 21, rue Louis de Broglie 22300 Lannion 2 ENSSAT, LO, UMR FOTON, 6 rue de Kerampont, F Lannion 3 GET Telecom Paris, CNRS UMR 5141, 46 rue Barrault, Paris Nous présenterons les résultats d’une étude menée dans le cadre d’une amplification au delà de 1kW de puissance crête d’un signal très cohérent à 1060nm. Ce travail nous a conduit à étudier l’influence des effets non linéaire sur la conservation des propriétés spectrales de la source à amplifier. Nous présenterons une architecture d’amplificateur optimisée nous ayant permis d’atteindre 10W de puissance moyenne pour une puissance crête de 1.7kW. 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

2 Contexte, applications des sources pulsées à 1micron
Génération de sources à 1 µm utile pour de nombreuses applications: Médicales : pompage optique de l’Hélium à 1083 nm, Militaires : guidage laser, Scientifiques : amplification de sources très cohérentes à 1 µm, Industrielles : laser de marquage (en régime continu ou d’impulsions), laser de découpe Forts niveaux de puissance de sortie  technologie à fibre double-gaine. Application LIDAR (identification, détection, communication) : amplification en régime d’impulsions Cette étude a été menée dans le cadre de l’amplification d’un signal très cohérent à 1µm. Nombre d’applications requièrent un fort niveau de puissance et les possibilités offertes dans cette bande de longueurs d’ondes grâce à l’usage de l’ion ytterbium sont multiples et variées. Cette terre rare dopant le cœur de fibres optique permet de répondre aux besoins d’ applications médicales, … Un des points communs à ces applications à 1 micron est la nécessité d’obtenir un fort niveau de puissance de sortie  nécessité de l’emploi de fibre double gaine. Cette étude, à des fins d’application LIDAR, requière un fonctionnement en régime d’impulsions ainsi que la préservation de la pureté spectrale de la source et ce même à très forte puissance crête. 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

3 Signal source à amplifier
Principe de l’amplification en régime d’impulsions MOPFA: Master Oscillator Power Fiber Amplifier  Amplification d’une source laser de faible puissance crête (puissance moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée. Source laser pulsée Fibre dopée Yb3+ T(ns) t f P(W) Ppeak P(W) T(ns) Signal source à amplifier Isolateur Module de pompe Signal de sortie De forts niveaux de puissance crête peuvent être atteints grâce au développement d’architecture à oscillateur amplifié. Une source laser modulée est amplifiée par un ou plusieurs étages d’amplifications à fibre dopée. La montée en puissance requière l’usage de fibre double-gaine dopée. Termes employés: t : Durée de l’impulsion, f : fréquence de répétition, Ppeak : Puissance crête M2 : Définie la qualité de faisceau Monomode (SM) ou Multimode(MM). 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

4 Présentation des technologies à fibres double-gaine
Cœur dopé Yb : 4 à 30 µm 1ère gaine silice pure : 50 à 300 µm 2ème gaine polymère Fibre double gaine ? Rompre la symétrie de révolution  optimiser le mélange de modes et donc l’absorption POLYMERE CŒUR DOPE 1ère GAINE O.N. typique de la gaine : 0.45 O.N. typique du cœur : 0.12 Une fibre double gaine dopée est une fibre à cœur (monomode ou MM) dopé, possédant une 1ère gaine de plus bas indice et de plus grand diamètre. Cette gaine est elle-même entourée d’une gaine polymère. Leur emploi est associé à l’usage de diode laser de puissance. Ces diodes lasers sont des diodes multimodes à large surface émettrice émettant un faisceau pompe compatible avec l’une des bandes d’absorption de la terre rare dopant le cœur de la fibre considérée. Pour tirer pleinement parti de cet apport de puissance, il est nécessaire que la FDG regroupent un certain nombre de propriétés : Elle doit disposer d’une grande ouverture numérique il faut maximiser l’absorption de la pompe. Pour ce faire il est nécessaire de rompre la symétrie de révolution circulaire afin d’assurer un bon mélange de modes. Ainsi, fréquemment, les gaines des FDG dopées aux ions de terre rare ont elles une géométrie en pétale, à profil hexagonal ou encore rectangulaire. Au final, le signal se propageant dans le cœur est amplifié par transfert d’énergie apportée par la pompe à chaque passage dans le cœur dopé de la FDG. En régime d’impulsions, la densité d’énergie se propageant dans la cœur de ces FDG est parfois telle qu’apparaissent des effets NL Pompe Signal 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). 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

5 Introduction aux effets non linéaires
Théorie linéaire : atténuation et dispersion Théorie non linéaire : interaction entre le milieu et les signaux produit <densité de puissance x longueur d’interaction> élevé Non-linéarités Interactions élastiques (n dépend de t) Interactions inélastiques Effet Kerr (SPM, XPM, FWM) Diffusion Brillouin (SBS) Diffusion Raman (SRS) durée de l’impulsion … fs ps ns µs ms … Les phénomènes d’optique non linéaire interviennent lorsque la densité de puissance dans le canal de propagation du signal devient importante et que la longueur d’interaction du signal avec ce canal est « importante ». Les effets non linéaires peuvent être engendrés par effet Kerr (ils sont alors du type automodulation de phase – SPM -, modulation de phase croisée – XPM -, ou mélange à 4 onde – FWM -), par diffusion Brillouin stimulée (SBS) ou par diffusion Raman stimulée (SRS). Tous ces effets non linéaires peuvent engendrer de nouveaux signaux lorsque certaines conditions appropriées sont réunies. Parmi ces conditions intervient notamment la durée de l’impulsion du signal amplifié. La SBS survenant notamment pour des impulsions longues de l’ordre ou > à la 10aine de ns effet SBS SRS SPM 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

6 < Pcrête seuil SRS si accord de phase
Effets non linéaires et seuil d’apparition Type Nom Largeur impulsion Pcrête seuil (*) Effet sur le signal KERR réponse quasi-instantanée du milieu Automodulation de phase SPM 0,1 – 10 ps Qq 10aines W/m Déformation du spectre Mélange à quatre ondes FWM - < Pcrête seuil SRS si accord de phase DIFFUSION échange d’énergie avec le milieu Diffusion Brillouin stimulée SBS 10 ns – 10 µs Qq W/m Déformation temporelle, limitation de l’énergie Diffusion Raman stimulée SRS 1 ns – 1 ps Qq 100aines W/m Limitation de la cohérence des sources Outre les paramètres de durée d’impulsion, ces effets NL n’apparaissent généralement qu’au delà d’une certaine puissance crête, appelée puissance seuil. Nous donnons ici un exemple de valeur de puissance seuil typique pour chacun de ces phénomènes pour une fibre optique de diamètre de mode 60-80µm2. (*) Valeurs typiques pour une fibre de diamètre de mode µm2 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

7 Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1) But: Obtenir une puissance crête > 1 kW en minimisant l’influence des effets NL et en préservant la cohérence de la source Le signal d’entrée : Longueur d’onde : 1060 nm  utilisation de FDG dopées Yb3+ Largeur à mi-hauteur < 0.2 nm  amplification d’une source à spectre étroit Durée d’impulsion : 2 ns Taux de répétition : 3-30 MHz Puissance moyenne : ~1 mW (crête 150 mW) A 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ µm2  seuils des effets NL rabaissés d’un facteur 2 à 4. SBS (impulsion < 10 ns) SPM possible (impulsion > 100 ps) SRS possible Stratégie à priori : Pompage à 977 nm Faible longueur de FDG dopée Yb3+ Notre étude et les résultats que nous vous présentons ce jour, a porté sur l’amplification d’une onde spectralement fine à 1060nm au delà de 1kW de puissance crête. Les impulsions ont une durée de 2ns et sont émises à une fréquence de répétition variable de 3MHz à 30MHz. Il s’agit donc d’une amplification à 1µm pour laquelle nous utilisons des FDG dopées Yb. En propogation monomode, les fibres à 1micron ont généralement des surfaces de mode de 20-40µm2. Ce qui nous conduit, si l’on se réfère aux chiffres que nous venons de donner, à penser que: nous ne devrions pas voir apparaître de limitation due au SBS Que par contre, l’apparition de la SRS et de la SPM est possible. Le but de cette étude est de maximiser la puissance crête tout en préservant la cohérence de la source. La stratégie à priori étant de retenir un pompage à 977nm afin de minimiser la longueur d’interaction de l’onde avec la matière. 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

8 Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2) Résultats expérimentaux Pas de limitation due au SBS : observation du signal en contra-propagation Limitation forte due au SRS dans une fibre monomode pour ~ qqs 100 W crête: Architecture non optimisée Pré-amplificateur Fibre dopée Yb3+ , 7 m, SM, D=6.6 µm Laser p= 1060 nm  = 2 ns frep = 3 MHz Filtre ASE Pin= 0,1 W Fibre, 2 m D = 6,6 µm Psortie = 0,27 kW  spectre de gain de la silice pure Psortie = 0,59 kW  déclenchement du SRS dans la fibre dopée Yb3+  spectre de gain modifié Psortie = 0,76 kW  pic de gain Raman d’ordre 2 Afin de se prémunir des effets potentiels de la diffusion Brillouin stimulée, nous avons monitoré le signal contra propagatif. Nous n’avons jamais détecté de phénomène de seuil synonyme de cet effet. Nous n’avons donc pas été gêné par la diffusion Brillouin stimulée, conformément à ce que nous escomptions. En 1er approche, nous avons retenue une structure à 2 étages chacun constitué de fibre dopée Yb à cœur MONOMODE. Cette structure n’est pas optimisée et l’effet Raman apparaît des ~100W de puissance crête. Au delà, le gain généré ne profite pratiquement plus au signal et cette configuration de permet pas de dépasser une puissance crête de kW sans que la majeure partie de la puissance se retrouve dans le pic de gain Raman. 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

9 Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3) Résultats expérimentaux Apparition d’un élargissement spectral par effet Kerr dès l’étage de préamplification (dès qq 10aines de W crêtes) si le choix de la source est non optimisé Exemple: source Fabry-Perot avec réseau de Bragg en cavité externe f=3MHz = 2ns D= 6.6µm Puissance crête: <40W Puissance crête : <140W Par ailleurs, si le choix de la source n’est pas optimisé, un autre effet non linéaire apparaît dès l’étage de pré-amplification. Ainsi, avons-nous observé un élargissement spectral de type effet Kerr dès que la puissance atteint ~100W crête. Cet effet s’accroît lorsque la puissance crête augmente mais la nature de la source détermine l’importance de l’élargissement. Celui-ci est ainsi plus important même si la puissance crête est moindre, qui plus est dans une fibre à plus large cœur, si la source est mal choisie 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

10 Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (4) 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 < 900W Diamètre de cœur : 15 µm Puissance crête > 1.3kW Diamètre de cœur 13 µm Nous donnons ici les résultats relatifs à cet élargissement de type effet Kerr pour 2 sources, spectralement très cohérente mais de nature différente. La 1ère est une source Fabry-Perot avec un réseau de Bragg en cavité externe. La 2nde une source laser en cavité externe. En amplification sur fibre légèrement multimode, ces 2 sources ont subi un élargissement spectral très différent, la cohérence de la source n’étant pas maintenue dès que la puissance crête dépasse qq 100aines de W pour la 1ère source. Pour la poursuite de nos objectifs nous avons sélectionné la source laser en cavité externe. Largeur à mi-hauteur : 0.375nm Largeur à mi-hauteur : 0.1nm 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

11 Architecture d’amplificateur optimisée
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5) 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 d’énegie  °seuil des effets NL autorise ° longueur fibre dopée si besoin Choix de la source primordiale Architecture d’amplificateur optimisée tenant compte des effets NL tenant compte des contraintes de disponibilité des composants (pompage 920nm) L’analyse qui peut être faite de cette étude est la suivante. Si nous avons vue très tôt l’influence des effets NL sur une amplification en régime d’impulsions, nous n’avons pas été gêné par la SBS. La minimisation des effets indésirables de la SRS implique l’usage de fibres à cœur MM. La nature de la source est primordiale si l’on souhaite se prémunir d’un élargissement spectral trop important en amplification d’impulsions et limiter l’effet Kerr. Ceci nous a conduit à la définition d’une architecture d’amplificateur optimisée. Celle-ci intègre en outre 3 contraintes supplémentaires: budget de pompe limité à 13W efficace Pompage à 920nm bien que moins favorable en terme d’effets NL Pompage CO propagatif Nous aboutissons à une structure d’amplificateur à 2 étages sans filtrage de l’ASE entre l’étage de préamplification et le booster 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

12 Amplification d’un signal spectralement fin (2ns, >1
Amplification d’un signal spectralement fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6) Résultats: >10W moyen avec une efficacité optique >75% (>14% électrique) pour l’étage booster pour une puissance crête > 1.7kW Pureté spectrale de la source conservée avec > 80% de Ptotale dans 1nm autour de la longueur d’onde centrale. La largeur à mi-hauteur restant <0.2nm - Pas de remontée gênante de la SRS (SNR > 28dB) Les résultats obtenus sont les suivants: 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris

13 Conclusion et perspectives
Amplification de sources très cohérentes: Nécessité d’augmenter le seuil d’effets NL  diminuer la densité d’énergie (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 d’impulsions Apparition d’effets 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. 25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris