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GENERATION D’IMPULSIONS NANOSECONDE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE Yb 3+. S. GROT 1 , L. GOLDBERG 1 , P. BESNARD 2 , Y. JAOUËN 3 1 KEOPSYS SA 21, rue Louis de Broglie 22300 Lannion Email : sgrot@keopsys.com
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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 Email : sgrot@keopsys.com 2 ENSSAT, LO, UMR FOTON, 6 rue de Kerampont, F-22305 Lannion 3 GET Telecom Paris, CNRS UMR 5141, 46 rue Barrault, 75634 Paris JNOG’04, Paris
Contexte 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 Contexte, applications des sources pulsées à 1micron JNOG’04, Paris
Principe de l’amplification en régime d’impulsions P(W) f P(W) Ppeak T(ns) t T(ns) 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+ Signal source à amplifier Isolateur Module de pompe Signal de sortie 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). JNOG’04, Paris
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 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). JNOG’04, Paris
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 … … effet SBS SRS SPM JNOG’04, Paris
Effets non linéaires et seuil d’apparition (*) Valeurs typiques pour une fibre de diamètre de mode 60-80 µm2 JNOG’04, Paris
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 ~ 20-40 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+ Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1) JNOG’04, Paris
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2) • 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 • 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 Fibre, 2 m D = 6,6 µm Pin= 0,1 W JNOG’04, Paris
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3) Puissance crête : <140W Puissance crête: <40W • 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 JNOG’04, Paris
Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (4) Puissance crête < 900W Diamètre de cœur : 15 µm Puissance crête > 1.3kW Diamètre de cœur 13 µm Source 1: Fabry-Perot avec réseau de Bragg placé en cavité externe FWHM < 0.2nm Source 2: Laser en cavité externe FWHM < 0.2nm Largeur à mi-hauteur : 0.1nm Largeur à mi-hauteur : 0.375nm JNOG’04, Paris
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) JNOG’04, Paris
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) JNOG’04, Paris
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. JNOG’04, Paris