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S. GROT1, L. GOLDBERG1, P. BESNARD2, Y. JAOUËN3
1 KEOPSYS SA21, rue Louis de Broglie
22300 LannionEmail : [email protected]
2 ENSSAT, LO, UMR FOTON, 6 rue de Kerampont, F-22305 Lannion3 GET Telecom Paris, CNRS UMR 5141, 46 rue Barrault, 75634 Paris
GENERATION D’IMPULSIONS GENERATION D’IMPULSIONS NANOSECONDE,NANOSECONDE,
DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, AU-DELA DE 1.7kW,
PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE YbYb3+3+
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Contexte, applications des Contexte, applications des sources pulsées à 1micronsources pulsées à 1micron
• ContexteContexte
o 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
o Forts niveaux de puissance de sortie technologie à fibre double-gaine.
o Application LIDAR (identification, détection, communication) : amplification en régime d’impulsions
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PrincipePrincipe de l’amplification en de l’amplification en régime d’impulsionsrégime d’impulsions
: Durée de l’impulsion, f : fréquence de répétition, Ppeak : Puissance crête
T(ns)
fP(W)
Ppeak
Signal de sortie
P(W)
T(ns)
Signal source à amplifier
Source laser
pulsée Fibre dopée Yb3+
Module de
pompe
M2 : Définie la qualité de faisceau Monomode (SM) ou Multimode(MM).
MOPFA: Master Oscillator Power Fiber AmplifierMOPFA: Master Oscillator Power Fiber Amplifier Amplification d’une source laser de faible puissance crête (puissance Amplification d’une source laser de faible puissance crête (puissance moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée.moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée.
Isolateur
TermTermeess employés employés::
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CŒUR DOPE
1ère GAINE
SignalPompe
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 l’absorption
Présentation des Présentation des technologies à fibres double-technologies à fibres double-
gainegaine• Fibre double gaine Fibre double gaine ??
o Cœur dopé Yb : 4 à 30 µmo 1ère gaine silice pure : 50 à 300 µmo 2ème gaine polymère
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Introduction aux effets Introduction aux effets non linéairesnon linéaires
• Théorie linéaire :Théorie linéaire : atténuation et dispersion
• Théorie non linéaire :Théorie non linéaire : interaction entre le milieu et les signaux – produit <densité de puissance x longueur d’interaction> élevé
Effet Kerr(SPM, XPM, FWM)
Diffusion Brillouin (SBS) Diffusion Raman (SRS)
Non-linéarités
…… fs ps ns µs ms
SPM
SBS
SRS
durée del’impulsion
effet
Interactions élastiques (n dépend de t)
Interactions inélastiques
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Effets non linéaires et seuil Effets non linéaires et seuil d’apparitiond’apparition
Type NomLargeur
impulsionPcrête seuil
(*)Effet sur le
signal
KERRréponse quasi-
instantanée du milieu
Automodulation de phase
SPM0,1 – 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
stimuléeSRS
1 ns – 1 psQq 100aines
W/m
Limitation de la cohérence des
sources(*) Valeurs typiques pour une fibre de diamètre de mode 60-80 µm2
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• But: 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 :Le signal d’entrée :o Longueur d’onde : 1060 nm utilisation de FDG dopées Yb3+
o Largeur à mi-hauteur < 0.2 nm amplification d’une source à spectre étroit
o Durée d’impulsion : 2 nso Taux de répétition : 3-30 MHz
o Puissance moyenne : ~1 mW (crête 150 mW)
• A 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ 20-40 µmA 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ 20-40 µm22
seuils des effets NL rabaissés d’un facteur 2 à 4.o SBS (impulsion < 10 ns)o SPM possible (impulsion > 100 ps)
o SRS possible
• Stratégie à priori :Stratégie à priori : o Pompage à 977 nmo Faible longueur de FDG dopée Yb3+
Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1)
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•Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxo Pas de limitation due au SBS : observation du signal en contra-propagationo Limitation forte due au SRS dans une fibre monomode pour ~ qqs 100 W crête: Architecture non optimisée
• 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 21050 1075 1100 1125 1150 1175 1200
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Puis
sanc
e (d
Bm)
Longueur d'onde (nm)
Pcrête
= 0,11 kW P
crête= 0,27 kW
Pcrête
= 0,59 kW P
crête= 0,76 kW
Laserp= 1060
nm = 2 ns
frep = 3 MHz
FiltreASE
Pré-amplificateur
Fibre, 2 m D = 6,6 µm
Pin= 0,1 W
Fibre dopée Yb3+ , 7 m,SM, D=6.6 µm
Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2)
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•Résultats expérimentauxRésultats 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
1047.5 1048.75 1050 1051.25 1052.5-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0 2NS-3-1.txt (03-09-22/13:35) 2NS-3-2.txt (03-09-22/13:34)
Ou
tpu
t p
ow
er (
dB
m)
Wavelength (nm)
Puissance crête: <40W
Puissance crête : <140W
Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3)
Exemple: source Fabry-Perot avec réseau de Bragg en cavité externef=3MHz = 2nsD= 6.6µm
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Amplification d’un signal Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, spectralement fin (2 ns, >1.7 kW,
1060 nm) (4)1060 nm) (4)
Largeur à mi-hauteur : 0.375nm Largeur à mi-hauteur : 0.1nm
Source 1:Source 1:Fabry-Perot avec réseau de Bragg placé en cavité externeFWHM < 0.2nm
Source 2:Source 2:Laser en cavité externeFWHM < 0.2nm
Puissance crête > 1.3kWDiamètre de cœur 13 µm
1059,0 1059,5 1060,0 1060,5 1061,0 1061,5 1062,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 Après amplification Source
<0.1nm
<0.1nm
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
Puissance crête < 900WDiamètre de cœur : 15 µm
1049,0 1049,5 1050,0 1050,5 1051,0 1051,5 1052,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
<0.2nm
~0.375nm
Après amplification Source
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
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Analyse :Analyse :-Influence des effets NL:
SBS SRS amplification sur fibre MM Effet Kerr : minimisation élargissement spectral par effet Kerr
Source à spectre étroitAmplification sur fibre MM ° densité d’énegie °seuil des effets NL autorise ° longueur fibre dopée si besoin
-Choix de la source primordiale
Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5)
Architecture d’amplificateur optimiséeArchitecture d’amplificateur optimisée tenant compte des effets NL tenant compte des contraintes de disponibilité des composants (pompage 920nm)
Isolateur Isolateur
FDG dopée Yb3+ FDG dopée Yb3+
13/[130x150]µm
FC/APC
5m
975nmVSP
920nm1060nm
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1040 1065 1090 1115 1140-100
-80
-60
-40
-20
0 3MHz 30MHz
Raman
Pu
issa
nce
(d
Bm
)
Longueur d'onde (nm)
Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6)fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6)
Résultats: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)
0 2 4 6 8 10 12 14
0
2
4
6
8
10
12
Pu
issa
nce
mo
yen
ne
tota
le (
W)
Puissance de pompe (W)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Pu
issa
nce
crê
te (
kW)
1057 1058 1059 1060 1061 1062 1063 1064-50
-40
-30
-20
-10
0
10
700W crête
36W crête
Pui
ssan
ce (d
Bm
)Longueur d'onde (nm)
1057,9 1059,15 1060,4 1061,65 1062,9
0
2
4
6
8 Ppeak>1.7kW
<0.2nm
Pui
ssan
ce (u
.a.)
Longueur d'onde (nm)
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Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Amplification de sources très cohérentes: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’impulsionsAmplification 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.
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