Source laser à fibre pour application à l’environnement « Laser à fibre multimodales et multicoeurs : cavité à contrôle modal" PDF Download

Author: Badr Mohamed Ibrahim Shalaby
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Languages : fr
Pages : 224

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La montée en puissance dans les lasers ou amplificateurs à fibres uni-modales s’accompagne d’effets non linéaires, de dommage sur les faces de la fibre à cause d’une petite aire effective dans les guides amplificateurs classiques. L’objectif de ma thèse a été d’étudier l’exploitation, au sein de lasers, de fibres amplificatrices de large section, telle qu’une fibre multimodale ou une fibre à coeurs multiples tout en assurant la génération de faisceau de bonne qualité spatiale. Tout d’abord, j’ai étudié numériquement et expérimentalement le processus de l’auto-imagerie dans une fibre de grande aire modale dans une configuration laser en anneau unidirectionnel. J’ai successivement considéré une fibre multimodale (FMM) puis une fibre à coeurs multiples (FMC). Cette configuration réalise un filtrage spatial sur le champ proche en utilisant une boucle de rétroaction par une fibre monomode. Nous avons aussi étudié numériquement et expérimentalement l’excitation du mode fondamental et la combinaison linéaire de plusieurs modes guidés dans une architecture de laser qui réalisait un filtrage spatial sur le champ lointain. La dernière partie, consiste en une étude expérimentale de la combinaison cohérente de deux fibres multicoeurs parallèles en utilisant à la fois une excitation sélective et un filtrage du champ lointain.

Author: Rachid Si Fodil
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Languages : fr
Pages : 0

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Les effets non-linéaires dépendant essentiellement de l'intensité du champ électrique de l'onde et du guide, sont indispensables à la génération des régimes impulsionnels dans les lasers à fibre dopée. L'effet Kerr, qui se manifeste quel que soit l'énergie de propagation et de pompage, va engendrer le phénomène de l'auto modulation de phase (SPM) qui se traduira par un élargissement spectral. La SPM peut se voir aussi dans l'interaction entre les deux ondes qui se propagent le long des axes lents et rapides du guide (XPM). Dans un guide uniforme passif, cette auto modulation de phase en se conjuguant avec la dispersion chromatique du guide peut conduire à l'impulsion soliton, mais ce cadre doit être largement dépassé pour aborder la mise en forme d'impulsions dans un système dissipatif, tel qu'une cavité laser. Ce cadre élargi est celui du soliton dissipatif. Dans ce travail, nous avons passé en revue la fibre optique dopée en tant que milieu actif. Nous avons présenté le principe physique du blocage de modes, en introduisant l'absorbant saturable virtuel reposant sur l'évolution non linéaire de la polarisation (ENLP). Dans la partie expérimentale, on s'est penché plus particulièrement sur de nouvelles dynamiques à haute cadence (multi-GHz) d'un laser à fibre dopée, à modes bloqués. Avant de présenter et positionner notre travail, on s'est intéressé dans un premier temps à ce qui a été publié sur la génération des trains d'impulsions ultracourtes à haute cadence. Nous avons étudié chaque configuration, allant de la génération de régime harmonique à haute cadence par le blocage de modes habituel jusqu'aux techniques utilisant l'instabilité de modulation avec un filtrage interférométrique (μcavité, F.P, SFBG). En évaluant les opportunités de réalisation de chacune, nous avons été attirés par la configuration de Mao, publiée dans Sci. Reports, toute fibrée, qui sera le premier volet de notre contribution expérimentale. Effectivement, dans un premier temps nous avons repris les travaux de Mao et al. où le MZI est pris en série dans la cavité fondamentale. Dans le souci d'apporter plus de stabilité, nous avons proposé une autre configuration où le MZI est pris dans une boucle de recirculation qui permettra plus de filtrage des modes cavité en phase. Cette stabilité du régime impulsionnel, à haute cadence, a été observée en temps réel.

Author: Brice Kerrinckx
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Languages : fr
Pages : 272

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Ce mémoire de thèse porte sur la conception et la réalisation de lasers à fibre de puissance fonctionnant autour de la longueur d'onde de 1 μm. Nous présentons tout d'abord les méthodes de fabrication et de caractérisation des fibres à double gaine, éléments essentiels du laser de puissance. Un modèle analytique est ensuite développé pour rendre compte des effets des différentes interactions rayonnement-matière dans les fibres amplificatrices à double gaine. Ce modèle est basé sur la conservation du flux de photons. Il permet, grâce à l'adjonction d'un terme de source transverse, de rendre compte de l'évolution des principales caractéristiques des fibres amplificatrices à double gaine (ESA, puissance de pompe, inversion de population...). Il est utilisé pour optimiser les paramètres des lasers envisagés et pour évaluer leurs performances potentielles. En particulier, l'inadaptation des fibres à double gaine pour l'amplification à 3 niveaux d'énergie est mise en évidence.Dans la partie consacrée aux expérimentation, nous décrivons d'abord un système original d'injection transverse de l'onde de pompe dans la gaine multimode de la fibre qui a permis d'atteindre des rendements de 80% tout en respectant les normes de qualification en vigueur. Nous étudions ensuite plusieurs solutions pour réaliser un laser à cavité photoinscrite, dopé ytterbium, fonctionnant en système à 3 niveaux pour émettre à 980 nm. Cependant, la concrétisation de ces projets se heurte à des limitations technologiques que nous identifions. Enfin, des lasers de puissance fonctionnant en système à quatre niveaux d'énergie et émettant plusieurs watts optiques sont fabriqués. Ces lasers sont utilisés comme source optique pour pomper des cavités Raman émettant dans la bande [1460 nm - 1480 nm]. La génération de raies Stokes (jusqu'au cinquième ordre) est assurée par plusieurs mètres de fibre optique à matrice germanosilicate.

Author: Ammar Hideur
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Pages : 166

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This work deals with the study of an ytterbium-doped double-clad fibre laser side-pumped using the v-groove technique operating in different regimes around 1.06mm. In the first part, we present the last developments in the field of high-power diode-pumped fibre laser including the double-clad structures and the pumping techniques. In the second part we investigate experimentally the dynamics of a high power ytterbium-doped double-clad fibre laser in various optical configurations. Different self-pulsing regimes are identified resulting from third-order non-linear effects. The third part is devoted to the study and the realisation of a passively mode-locked ytterbium-doped fibre laser using the non-linear polarisation rotation technique.

Author: Samuel Gouin
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Languages : fr
Pages : 124

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Dans un contexte économique florissant, le développement des lasers à fibre de haute puissance permet de rendre cette technologie accessible et utile dans plusieurs domaines. Les manufacturiers de lasers doivent sans cesse trouver des méthodes pour améliorer les performances, la fiabilité et la productivité de leurs systèmes afin d'occuper une part importante du marché. L'inscription de réseaux de Bragg fibrés (FBG) dans un segment ininterrompu de fibre de gain permet de faire une cavité laser sans épissure, rendant une telle cavité plus robuste, plus rapide à réaliser et lui conférant une efficacité laser supérieure. Les expériences effectuées ont permis de démontrer qu'il est possible d'inscrire des FBG dans une fibre dopée à l'ytterbium d'une réflectivité assez grande et de pertes par échauffement suffisamment faibles pour assembler une cavité laser émettant une puissance de 538 W avec une efficacité de 77%, la puissance maximale étant limitée par la puissance de pompe disponible. Malgré tout, on trouve par extrapolation que les FBG peuvent avoir un échauffement assez faible pour supporter une émission laser de 1030 W. Par ailleurs, les différentes cavités lasers réalisées ont montré qu'il est difficile de faire une cavité sans épissure en fibre de haute luminosité puisque le filtrage modal par injection ne peut être utilisé. Toutefois, il est possible de faire une cavité laser monomode avec une fibre à large aire modale et le pompage en contra-propagation permet d'atteindre une efficacité laser très élevée de 77% (78% à basse puissance). Les simulations numériques ont permis de comprendre que la distribution de puissance dans la cavité laser génère un échauffement inégal des FBG, rendant nécessaire de prendre des considérations supplémentaires pour éviter le décalage spectral entre les FBG. Néanmoins, le projet a su montrer qu'il est envisageable de commercialiser un laser sans épissure émettant 1 kW dans un avenir rapproché et que la technologie en place permettrait une telle réalisation.

Author: Vincent Fortin
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Pages : 144

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Les lasers à fibre sont des sources robustes, efficaces et qui présentent une qualité de faisceau irréprochable. Cependant, la plupart sont généralement limités à certaines bandes spectrales bien définies, coïncidant avec les transitions électroniques des ions de terres rares. Les cavités laser basées sur la conversion Raman sont une alternative intéressante qui permet de générer, avec une combinaison de pompe et de fibre adéquate, un rayonnement laser à n'importe quelle longueur d'onde. Ces sources permettraient notamment de couvrir la plage spectrale entre 2 et 4 mm, convoitée pour diverses applications dans le domaine médical, spectroscopique et militaire. Or, les fibres de silice standards, dont l'atténuation croît rapidement aux longueurs d'onde dépassant 2.2 mm, ne sont pas adaptées pour cette application. Bien que les fibres de la famille des verres fluorés ou des chalcogénures présentent plusieurs défis techniques, elles répondent beaucoup mieux aux exigences requises. Dans le cadre de notre projet, nous avons fait l'étude de sources laser basées sur la conversion Raman dans une fibre en fluorozirconate et dans une fibre en sulfure d'arsenic (As2S3). Il s'agissait des toutes premières démonstrations expérimentales de cavités Raman dans ces matériaux. Nous avons également développé des programmes de simulation numérique afin d'en faire l'optimisation et d'identifier leurs limites. En premier lieu, des cavités Raman en fluorozirconate émettant autour de 2.2 mm et pompées par un laser Tm:silice à 2 mm ont été assemblées et perfectionnées. En imbriquant les cavités Raman et de la pompe, de hautes puissances atteignant quelques watts ont pu être mesurées à la sortie. En second lieu, nous avons fait la démonstration de cavités Raman en As2S3 émettant dans l'infrarouge moyen, à 3.34 mm. Elles étaient pompées par une source laser Er3+:ZBLAN à 3 mm que nous avons également développée dans nos laboratoires. En raison du gain Raman élevé des chalcogénures, nous avons pu monter ces cavités à partir de quelques mètres de fibre seulement. Les résultats obtenus au cours de notre projet sont probants et font des lasers à fibre une option viable pour l'émission de radiations cohérentes à des longueurs d'onde comprises entre 2 et 4 um.

Author: François Labaye (auteur d'une thèse de physique).)
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La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

Author: Vincent Roy
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Pages : 236

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Les travaux présentés dans cet ouvrage concernent l'étude de la dynamique des lasers à fibre à synchronisation modale passive. Le mécanisme qui assure la formation des impulsions repose sur un principe d'interférométrie non linéaire (i.e. rotation non linéaire de la polarisation). Or, ce mécanisme possède la particularité de voir son action être renversée lorsque la puissance des impulsions dépasse un certain seuil, i.e. les ailes observent un gain plus élevé que le centre de l'impulsion. Le train d'impulsions devient alors instable, une situation généralement suivie de l'apparition d'une ou plusieurs impulsions additionnelles. Dans ce nouveau régime, il est courant d'observer la formation de groupes d'impulsions cohérentes. La nature de l'interaction en jeu diffère selon que la dispersion observée par les impulsions est plus ou moins élevée. Dans le cas où la dispersion résiduelle de la cavité permet la propagation d'impulsions solitoniques, il a été montré que ce phénomène est relié à l'interaction non linéaire entre les impulsions et les ondes dispersives résonantes émises suite aux perturbations périodiques encourues par les impulsions suivant leur propagation dans la cavité. Toutefois, dans le cas où des milieux de dispersion positive et négative sont disposés dans la cavité pour faire en sorte de réduire la dispersion résiduelle de celle-ci, les bandes latérales associées aux ondes dispersives résonantes s'en trouvent fortement atténuées en raison de la dérive de fréquence (importante) observée par les impulsions dans chaque portion de la cavité. En fait, on montre que la formation des groupes d'impulsions résulte plutôt de l'interaction directe entre les impulsions puisque celles-ci sont amenées à se superposer partiellement sur une portion significative de la cavité. Également, dans ce même régime, on rapporte l'observation de collisions qui se produisent entre des groupes d'impulsions voyageant avec des vitesses différentes. Divers scénarios sont observés suivant les modifications plus ou moins importantes entraînées par la collision. En effet, il n'est pas nécessaire que l'énergie et la quantité de mouvement soient conservées lors des collisions entre les impulsions dans le laser puisqu'il s'agit d'un système dissipatif. En outre, dans le cas où les collisions se répètent sur une base périodique, l'acquisition d'une séquence d'autocorrélations a permis de mettre en évidence la dynamique particulière qui caractérise le processus de collision.

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Pages : 21

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The UNM portion of this program focused on two areas, namely: (1) Efficient, wavelength-switchable fiber lasers for Air Force applications; (2) The development of mid-IR sources, namely 3 micrometers fiber lasers for pumping longer wavelength sources for IRCM applications. More specifically, we developed and/or demonstrated: (1) A precisely and rapidly wavelength-switchable 1.5 micrometers fiber laser source with switching times of ^18 microseconds; (2) A widely tunable wavelength-selectable fiber laser for 8 channels using an FBG string for channel pinning with output powers of each channel of ^l2 dBm(16 mW); (3) A broadly tunable wavelength-selectable source using a fiber Sagnac loop filter, with over 25 wavelength-switchable channel outputs with precise 50 GHz channel spacing, excellent output power uniformities of +/- 0.8 dB over the whole tuning range, and very large (65 dB)side mode suppression ratios; (4) A single-mode tunable wavelength selectable fiber laser operating at 8 uniquely selectable wavelength-channels with individual linewidths of 300 kHz in each channel 5. That the optimal pump wavelength for 'the 800 nm pump band' pumping of high-power 3 micrometers mid-IR fiber laser is 799 +/- 1 nm (as opposed to earlier reports implying an optimal pump wavelength of 791 nm); (6) Optimal designs for custom double-clad Er:ZBLAN fibers for power scaling of such mid-IR lasers to average powers of 10 Watts 7. Compact diode-pumped Q-switched (both actively and passively) mid-IR fiber lasers.

Author: Magdy Hussein Mourad
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Pages : 186

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Cette these est consacree a la conception et l'etude theorique par modelisation numerique des lasers inp comportant dans leur cavite un reseau echantillonne. Deux configurations ont ete concues et etudiees. La premiere est un laser a une seule section comportant un reseau echantillonne etendu sur toute la longueur du laser. Grace aux proprietes particulieres de filtrage du reseau echantillonne, nous montrons que ce type de laser peut conduire a un fonctionnement de type bimode dont l'ecart en frequence est defini par les parametres geometriques et physiques de ce nouveau laser. Le probleme classique du spatial hole burning qui attenuait un des deux modes du laser a ete resolu et interprete en utilisant pour la premiere fois, un reseau echantillonne dephase. Il a aussi ete demontre que l'optimisation du coefficient de couplage peut diminuer la dependance de l'ecart entre les modes du laser par une variation de la longueur de la cavite. Par consequence, l'application visee avec ce laser est la transmission fibre-radio a 60ghz. La deuxieme configuration est un laser a deux sections integrees monolithiquement dont l'une est une cavite perot fabry et l'autre une cavite comportant un reseau echantillonne. Ces deux sections sont alimentees par des courants differents, au dessus du seuil pour la cavite pf et sous le seuil pour l'autre section. Nous montrons en utilisant l'effet vernier entre les spectres optiques de la cavite pf et celui du filtre du reseau echantillonne, qu'il est possible d'obtenir ainsi un laser monomode accordable par bond. L'application visee ici est la transmission optique dwdm.