Montée en puissance des lasers à fibres

Journées de l’optique – Réseau Optique et Photonique 9/10/07 - 11/10/07

Montée en puissance des lasers à fibres : Etat de l’art et perspectives P. Bourdon (ONERA/DOTA/SLS)

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Plan

1) Les lasers à fibres - historique, - l’optique guidée et ses principes physiques, - intérêt des lasers à fibres. 2) Montée en puissance des lasers à fibres - performances atteintes par les lasers à fibres, - les composants clés pour la montée en puissance des lasers à fibres, - la problématique de la montée en puissance, - exemples de réalisation de lasers à fibres de puissance, - défaut principal des lasers à fibres. 3) Combinaison de lasers à fibres - techniques de couplage incohérent de lasers, - techniques de couplage cohérent de lasers, - combinaison cohérente de lasers à fibres par contrôle actif de la phase. 4) Perspectives - montée en puissance de chaînes MOPA fibrées, - combinaison de lasers à fibres.

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Historique des lasers à fibres 1870 :

Démonstration du guidage de la lumière dans une fine couche d'eau

1910 :

Idée de réaliser un guide d'onde électromagnétique cylindrique = fibre

1966 :

Réalisation de la première fibre optique en silice, pertes = 1000 dB/km

1970 :

Réalisation de fibres optiques en silice avec des pertes de 20 dB/km

1982 : Réduction des pertes à 0,16 dB/km 1990 :

2002 :

Développement des EDFA et des télécommunications par fibres optiques

Fin du "boom" des télécommunications par fibres optiques

Bragg (père et fils) = Prix Nobel de 1915 : physique sur la diffraction des rayons X dans des cristaux

Idée de réaliser une structure périodique 1987 : tridimensionnelle à bandes interdites photoniques (Yablonovitch) 1996 :

Réalisation de la première fibre optique microstructurée

2001 :

Très nombreuses équipes étudiant les fibres optiques microstructurées

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Le guidage par réflexion totale interne Fibre optique

Guide d'onde plan lumière

n1

lumière

n1 n1 < n2

n2

n2

Cristal photonique n2

n1

Fibre optique microstructurée

n1 n1

n1 < n2

n2

Guidage par réflexion totale interne modifiée 5

Intérêt des sources laser fibrées •

Rendement à la prise maximisé • •

•

Gestion de la thermique facilitée •

•

•

Longueur du milieu actif
répartition progressive de la puissance de pompe absorbée Longueur du milieu actif
surface d’échange thermique accrue)

Très bonne qualité de faisceau potentielle •

•

Pompage par diode laser souvent possible Longueur du milieu actif (au minimum 1 m) + confinement de la lumière dans la fibre
efficacité optique optimale

Confinement dans la fibre
filtrage spatial du faisceau

Compacité, tenue à l'environnement (climatique, vibrations), alignement robuste •

Système tout fibré
pas de désalignement, compacité (fibre enroulée + fort rendement à la prise)

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Performances atteintes en continu Dopage Yb :

pompe : 920 - 980 nm, émission : 1000 - 1100 nm

- 1,96 kW, efficacité 68 %, M² < 1,2 - 1,36 kW, efficacité 83 %, M² = 1,4 (longueur fibre = 12 m) - 1,3 kW, efficacité 60 %, M² < 3 - 633 W, efficacité 67 %, M² < 1,2, polarisé linéairement (longueur fibre = 6,5 m) - 264 W, efficacité 68 %, M² < 1,1, polarisé linéairement, ∆ν < 60 kHz

Dopage Er - Yb :

pompe : 920 - 980 nm, émission : 1500 - 1600 nm

- 100 W, M² < 1,1, polarisé linéairement, ∆ν < 4 nm (≈ ≈ 500 GHz) - 103 W, efficacité 30 %, M² = 2 - 87 W, efficacité 27 %, M² < 1,7

Dopage Tm - Yb :

(longueur fibre = 4 m)

pompe : 920 - 980 nm, émission : 1900 - 2100 nm

- 75 W @ 2,04 µm, efficacité 32 %, M² = 1,3 7

1er composant clé pour la montée en puissance : la fibre double gaine Guidage par l'indice de l'onde lumineuse laser dans le cœur de la fibre :

onde laser

onde pompe

n

n

r

Fibre à gaine simple (simple-clad)

r

Fibre à double gaine (double-clad)

- cœur dopé = milieu laser amplificateur (silice dopée Ge pour accroître son indice), Φ = 2 µm - gaine interne = guide pour l'onde de pompe (silice non dopée), Φ = 100 µm - gaine externe = polymère bas indice, Φ = 200 µm

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2ème composant clé pour la montée en puissance : la fibre optique microstructurée

Fibre optique à cristaux photoniques à cœur creux :

Fibre optique double gaine à cœur dopé Yb :

K. Furusawa, A. Malinowski, J.H.V. Price, T.M. Monro et al., Optics Express 9 (13) (2001) – Univ. Southampton J. Knight, T. Birks, B. Mangan and P.St.J. Russell, Optics and Photonics News (March 2002) – Univ. Bath

AVANTAGE = SECONDE GAINE EN SILICE TRES RESISTANTE THERMIQUEMENT 9

Un des problèmes de la montée en puissance : le pompage efficace de la fibre (1/2) Pompage par le côté de la fibre :

Structure VSP de pompage d ’un amplificateur forte puissance par KEOPSYS Fibre double gaine

VSP® 3

Entaille en V

2 mm Micro-lentille Substrat de verre

diode laser ruban large

Difficulté = coupler de fortes puissances sans pertes, si possible en "tout fibré" 10

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Un des problèmes de la montée en puissance : le pompage efficace de la fibre (2/2) Pompage dans l'axe (longitudinal) : - différents types de coupleurs fibrés ont été développés pour introduire l'énergie de pompe longitudinalement dans la fibre, OBJECTIF = COUPLER PLUS DE 90 % DE L'ENERGIE DE POMPE DANS LA GAINE DE LA FIBRE

- exemple d'architecture de pompage de puissance permettant de coupler plusieurs diodes de pompe dans une seule fibre :

Fibre monomode non dopée

Fibre dopée double clad

Coupleur multibrins

DL 980 nm

DL 980 nm

DL 980 nm

Pompage d'un amplificateur forte puissance (1000 W) type IPG-Photonics

Réalisation actuelle = plusieurs centaines de W couplés 11

Autres problèmes liés à la montée en puissance dans les lasers à fibres puissance moyenne ou puissance crête (W)

Eclairement (W/cm²)

I=

P S

Section du faisceau (cm²)

Différents phénomènes à seuils d’éclairement existent dans les fibres : - les effets non linéaires - l'endommagement de la silice Exemple : comparons deux lasers émettant 1 kW - un laser solide classique avec un faisceau de 3 mm de diamètre - un laser à fibre dont le cœur a un diamètre de 3 µm I = 14 kW/cm²

I = 14 GW/cm²

(seuil de dommage des matériaux optiques de l'ordre de quelques GW/cm²)

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Effets non linéaires A forte puissance dans une fibre, le confinement radial très fort conduit à des densités de puissance exceptionnellement élevées dans le cœur de la fibre
effet non linéaire, par exemple : - la diffusion Brillouin stimulée

ω

ω+Ω Ω

ω ω−Ω

Ω

D'autres effets non linéaires peuvent aussi apparaître : - la diffusion Raman stimulée - l'effet Kerr optique Dans tous les cas, effet non linéaire = problème
pertes en énergie + risque de transitoires très rapides (I élevée)

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Techniques de montée en puissance Pour monter en puissance, il faut réduire le confinement de la lumière dans le cœur de la fibre : - utilisation de fibres à gros cœur : fibre LMA (= Large Mode Area )
fibres dont le cœur a un diamètre de qq. dizaines de µm (ex. 30 µm) - la contrepartie = fibre multimode
élargissement spectral du laser, perte de qualité spatiale

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Master Oscillator

Densité Power spectrale de puissance (dB) spectrum density in dB

Exemple de réalisation de laser à fibre de puissance à l’Onera (1/2) Frequency spectrum (laser diode in red, fiber laser in blue) 90 80 70 60 50 40 30 20 30

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40 Frequency in MHz

Etage 1 (monomode)

50

WDM Filtre

ISO 6m 4m FDE1 FDE2

Etage 2 (1M)

Etage 3 (MultiM) 4 diodes 3 W

φcoeur=12µm

φcoeur = 2.8 µm φcoeur=4.5µm Injecteur Tp = 600 ns Frep = 15 kHz

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Fréquence (MHz)

Power Amplifier

φcoeur=20µm ISO

ISO 2m FDEY1 2 W

250 mW

3m FDEY2 Bundle de fibres 20 µm NA 0.11

+ Etage 4 = tests de différentes fibres LMA très gros cœur (~ 40 µm) 15

Exemple de réalisation de laser à fibre de puissance à l’Onera (2/2) Montée en puissance de sources laser fibrées : En 2005 on en était à : 100 µJ - 500 ns - cadence = 20kHz - ∆ν~0,5MHz - M² = 1,3 / 1,8 – non PM En 2006 on en était à : 240 µJ - 750 ns - cadence = 4kHz - ∆ν~0,5MHz - M² = 1,4 – PM > 98% En 2007, on est arrivé à : 600 µJ - 750 ns - cadence = 4kHz - ∆ν~0,5MHz - M² = 1,3 / 2,2

champ lointain 240 µJ

champ lointain 600 µJ

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Défaut principal des lasers à fibres : le contrôle de la polarisation Une fibre optique dépolarise le faisceau laser : - biréfringence induite par les contraintes dans la fibre, - particulièrement sensible quand la fibre est courbée (enroulée), Pour obtenir un faisceau polarisé linéairement en sortie de laser fibré : Fibres à maintien de polarisation type Panda

gaine elliptique

type "bow-tie"

Fibres optiques microstructurées à maintien de polarisation : F.C. McNeillie, E. Riis, J. Broeng, J.R. Folkenberg et al., Optics Express 12 (17) (2004) – Univ. Strathclyde + Crystal Fibre A. Ortigosa-Blanch, J.C. Knight, W.J. Wadsworth et al., Opt. Lett. 25 (18) (2000) – Univ. Bath

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Comment monter encore plus haut en puissance ? Il existe une limite à la puissance accessible grâce à une chaîne MOPA fibrée : - Si on prend en compte tous les phénomènes physiques limitants, on peut l’évaluer à : - 10 kW pour un laser fibré émettant à 1 µm (dopage Yb) - 1 kW pour un laser fibré émettant à 1,5 µm (co-dopage Er-Yb) Pour aller au-delà de ces limites, on peut essayer d’additionner les puissances de plusieurs lasers fibrés : - En continu, 10 kW, Yb:Fibre, 50 modules de 200 W, M² ~ 60 (IPG Photonics)

- Il faut donc trouver des moyens de coupler les lasers tout en conservant la qualité de faisceau. - Pour cela, deux grandes familles de techniques : - le couplage incohérent - le couplage cohérent (mise en phase).

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Techniques de couplage incohérent de lasers •

Superposition de faisceaux lasers avec différentes polarisations ou longueurs d'ondes (
sans interférences) + - limité à un nombre restreint de sources laser

•

Multiplexage en longueur d'onde réseau de diffraction

λ1 λ2 λ3

- 522 W combinés avec M² < 1,3 (Aculight Corp. 2007) - point dur principal = seuil de dommage optique du l'élément diffractif - spectre émis = très large - la configuration géométrique et son alignement sont complexes

Faisceau multiplexé en longueur d'onde 19

Techniques de couplage cohérent de lasers (1/4) •

Superposition de faisceaux lasers avec les mêmes polarisation et longueur d'onde (
cohérence nécessaire pour obtenir des interférences constructives)

•

Lasers auto organisés : cavités laser couplées

M1 Laser 1

- 200 W combinés (Hugues Research Labs 2005) - limité à un faible nombre de sources laser (< 10) - point dur = dommage optique des composants partagés par les différents lasers

Laser 2

M2

M2'

M1'

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Techniques de couplage cohérent de lasers (2/4) •

Lasers auto organisés : lasers à fibres multicœurs

3 supermodes qui peuvent se propager dans la fibre à 6 cœurs (QinetiQ) Fibre microstructurée à 6 cœurs dopés (QinetiQ)

- jusqu'à 80 % de la puissance totale combinée dans un supermode de faible M² - la technologie de fabrication des fibres multicœurs est encore en cours de développement - la sélection des supermodes nécessite une configuration laser particulière

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Techniques de couplage cohérent de lasers (3/4) •

Combinaison cohérente avec contrôle actif de la phase

P. McManamon and W. Thompson, AFRL 2003

- 400 W combinés avec un faible M² (Northrop Grumman 2006) - 48 fibres faible puissance combinées (MIT Lincoln Lab 2006) - d'autres applications sont possibles = micro pointage du faisceau, mise en forme de front d'onde

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Techniques de couplage cohérent de lasers (4/4) •

Combinaison cohérente avec contrôle actif de la phase

champ proche (en sortie des fibres)

champ lointain

Signal d'interférence entre deux amplificateurs à fibres : interférences constructives

interférences destructives

déphasage résiduel = λ/20

ONERA

sans contrôle de la phase

ONERA

avec contrôle de la phase

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Démonstration de couplage cohérent de lasers •

Combinaison cohérente avec contrôle actif de la phase

Réalisation Northrop Grumman : Mai 2006 19 kW continu pendant 300 s.

G.D. Goodno, H. Komine, Opt. Lett. 31 (9) (2006) – Northrop Grumman 24

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Perspectives Pour la montée en puissance des chaînes MOPA fibrées : - De nouvelles techniques prometteuses voient le jour : - amplification de modes transverses d’ordre élevé (HOM) type LP08 S. Ramachandran et al., OFS Laboratories, New Jersey (USA)

- fibres double cœur avec un cœur hélicoïdal enroulé autour du cœur central A. Galvanauskas et al., Univ. of Ann Harbor, Michigan (USA)

Pour la montée en puissance par combinaison cohérente de sources : - maîtrise (et si possible réduction) des fluctuations de phase intrinsèques aux sources de puissance - optimisation des techniques d’asservissement utilisées - utilisation de méthodes collectives d’analyse et de contrôle de la phase pour augmenter le nombre de sources que l’on peut combiner 25

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