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S’il est sujet qui suscite beaucoup d’intérêt et qui a été l’objet de nombreuses publications au cours de la décennie écoulée, c’est bien celui des lasers à fibre de forte puissance. Ce travail est motivé par le fait que les fibres optiques présentent beaucoup d’avantages pour qui souhaite réaliser un laser. Ceci explique qu’elles aient été progressivement utilisées pour réaliser des lasers de très fortes puissances capables de concurrencer les lasers solides de l’état de l’art.

 

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Figure 1 : Exemples de fibres toutes solides à bande interdite photonique présentant une gaine hétéro-structurée. La fibre de gauche permet de disposer d’un mode fondamental de 44 µm de diamètre. Elle est monomode en pratique autour de 1060 nm.


Cependant, la poursuite de cette montée en puissance se heurte à plusieurs verrous, parmi lesquels les effets non-linéaires qui apparaissent lorsque les densités de puissance dans le cœur sont trop élevées. Pour augmenter les seuils d’apparition de ces effets, une solution consiste à augmenter l’aire effective du cœur de la fibre ce qui s’accompagne d’une difficulté à préserver le caractère monomode du faisceau de sortie et d’une sensibilité accrue vis-à-vis des courbures. Ceci est particulièrement vrai pour les fibres conventionnelles qui sont limitées à des diamètres de mode de 25 µm environ lorsqu’on souhaite les doper avec des ions luminescents permettant d’obtenir un effet laser (du côté des fibres micro-structurées commerciales, la meilleure fibre flexible – 40/200 de NKT – possède un diamètre de mode voisin de 31 µm). Dès lors, de nouvelles géométries de fibres doivent être proposées.


Dans ce contexte, les possibilités offertes par les fibres à bande interdite photonique (BIP) sont particulièrement séduisantes. Combinées avec une hétéro-structuration de la gaine optique, nous avons montré en 2013 la possibilité d’obtenir une fibre optique monomode en pratique avec un diamètre de mode de 44 µm (voir Figure 1) et une fibre active basée sur le même profil d’indice. Ici, le mécanisme de réjection des modes non-désirés consiste à disposer des guides secondaires autour du cœur principal en ajustant leur taille, leur forme et leur indice de manière à créer un couplage à pertes pour les modes d’ordre supérieur.
Une variante basée sur une fibre à symétrie cylindrique (Fibre de Bragg) a été également proposée : il s’agit de la « Fibre de Bragg Pixélisée ».

 

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 Figure 2 : Illustration du concept de fibre de Bragg pixélisée. Contrairement à une fibre de Bragg conventionnelle (Figure (a)) dont la gaine est constituée d’anneaux concentriques de haut indice, la fibre de Bragg pixélisée (schématisée au centre) dispose d’anneaux micro-structurés qui améliorent significativement les propriétés de guidage. La première réalisation d’une telle fibre est reportée à droite.


Comme le montre la Figure 2, la principale différence avec une fibre de Bragg conventionnelle réside dans le fait que les anneaux de haut indice sont pixélisés, i.e. remplacés par des inclusions isolées placées en anneau. La structure des bandes interdites est alors dictée par les résonances des modes localisés dans les inclusions et non plus par les résonances de modes d’anneau, ce qui a pour effet d’élargir les fenêtres de transmission de la fibre par rapport au cas de la fibre de Bragg conventionnelle. En outre, en ajustant la distance entre anneaux, il est possible de créer des conditions de résonance entre modes de cœur et modes d’anneaux de bas indice permettant de rejeter les modes d’ordre supérieur. Après une première démonstration expérimentale, il est maintenant prévu de pousser plus loin l’étude de ces structures pour démontrer leur réel intérêt.


La silice dopée qui compose le cœur de ces fibres actives a été réalisée par voie chimique Sol-Gel qui présente l’avantage de maîtriser la variation d’indice de réfraction du cœur. La photographie d’une telle fibre et ses performances en régime laser sont présentées sur la Figure 3. Le diamètre de mode obtenu en régime laser est de 36 µm dans le cas d’une fibre courbée sur un rayon de 20 cm. Ce résultat fixe un nouveau record de diamètre de mode dans une fibre BIP active et représente un résultat propice aux interactions avec les end-users potentiels de telles fibres (l’EQUIPEX FLUX est un cadre idéal pour ces interactions avec des sociétés telles que Eolite ou Amplitude System). De fait, cette fibre active a récemment été testée au CEA-CESTA en régime d’amplification et a permis d’obtenir l’amplification monomode (M2 inférieur à 1,2) d’une source impulsionnelle nanoseconde avec un gain de 10 dB.

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Figure 3 :.A gauche : image MEB d’une fibre BIP hétéro-structurée double-gaine à cœur dopé ytterbium. A droite : courbe d’efficacité laser en régime continu d’une telle fibre.

 

 

 

Pour plus d'informations, contacter: Yves Quiquempois, PhLAM