Brevet FR2800926A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne le domaine des lasers à fibre de puissance. Plus précisément, la présente invention a pour but de développer un laser à fibre de puissance apte à émettre un rayonnement monomode transverse à 980 nm Le domaine des lasers à fibre de puissance a déjà donné lieu à une littérature abondante A titre d'exemples non limitatifs, l'on pourra se reporter aux références [1]L. Zenteno, "High power double-clad fiber lasers", Journal of Lightwave Optical Technology, 11,1993 [2] G. Mitchard et al "Double-clad fibers enable lasers to handle high power", Laser Focus World, Jan. , 1999 [3] R. Paschotta et al , "ytterbium-doped fiber amplifiers", IEEE Journal of Quantum Electronics 33,1997. [4] B. J. Ainslie et al., "the absorption and fluorescence spectra of rare earth ions in silica-based monomode fiber", Journal of Lightwave optical Technology 6, 1998 [5] A. Bertoni et al., "A model for the optimization of double-clad fiber laser operation", Applied Physics B66,1988 Des lasers notamment à 980 nm ont déjà été réalisés dans des fibres monomodes dopées ytterbium avec une puissance de quelques dizaines de milliwatts [3] Néanmoins, la petite dimension du c#ur de la fibre et sa faible ouverture numérique ne permettent pas de collecter l'énergie délivrée par des diodes de pompe de puissance. La technologie des fibres à double gaine a été développée dans les années 1990 pour améliorer la puissance disponible des lasers à fibre (jusqu'à plusieurs dizaines de Watts). Dans cette configuration, l'onde de pompe est guidée dans la structure multimode de la fibre tandis que l'onde laser est générée uniquement dans le coeur monomode Le rayonnement laser possède ainsi toutes les propriétés de cohérence spatiale d'un laser à fibre monomode avec toutefois une forte puissance due au pompage multimode De tels lasers de puissance existent dans la bande d'émission [1.01 pm-1.162 m] de l'ion ytterbium mais pas dans la seconde bande [0 975 m, 0. 985 m]. En effet, malgré les nombreuses recherches conduites dans le domaine, à la connaissance de la Demanderesse, jusqu'ici l'on n'a pas su développer des lasers à fibre de puissance émettant un rayonnement centré vers 980nm. La présente invention a pour but de remédier à cette difficulté. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention, grâce à un dispositif comprenant - une source de pompe, - un tronçon de fibre optique amplificatrice gainée, - deux réflecteurs disposés sur les extrémités de ce tronçon, et - un filtre coupe-bande apte à admettre un rayonnement laser centré vers 980nm dans ledit tronçon D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels : - la figure 1 représente la structure générale d'un dispositif conforme à la présente invention formant une cavité laser à fibre à 980 nm à l'aide d'une fibre à double gaine, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe transversale d'une fibre à double gaine comportant un guide rectangulaire multimode conforme à une première vanante de l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique similaire en coupe transversale d'une fibre à double gaine comprenant un c#ur non dopé entouré d'un anneau dopé conforme à une autre variante de réalisation de la présente invention, - la figure 4 représente la structure générale d'un dispositif conforme à la présente invention correspondant à une vanante de la figure 1 dans laquelle des réflecteurs encadrant la cavité laser sont situés en dehors de la fibre à double gaine, - la figure 5 représente le spectre de la fluorescence des fibres illustrées sur les figures 2 et 3 dans la bande spectrale [876 nm, 1076 nm], - la figure 6 représente le spectre d'émission du dispositif laser conforme à la présente invention émettant un rayonnement à 978 nm, et - la figure 7 représente la courbe de rendement d'un laser à fibre monomode conforme à la présente invention émettant un rayonnement à 980 nm. On a représenté sur la figure 1 la structure générale d'un dispositif conforme à la présente invention. On aperçoit sur cette figure 1 : - un tronçon 10 de fibre à double gaine (c#ur monomode 12 et gaine polymère 18 dont la structure sera décrite plus en détail par la suite), - au moins un ou plusieurs réflecteurs 20,25 disposés respectivement sur les extrémités de ce tronçon 10 de fibre, - un filtre 30 formant coupe bande au-delà de 1030 nm intégré dans la fibre 10 entre les réflecteurs 20,25, et - une diode de pompe 40 émettant de 915 nm à 930 nm placée en regard d'une première extrémité de ladite fibre 10. Un dispositif d'injection 50 peut être placé entre cette diode de pompe 40 et la fibre 10. Le rayonnement à 980 nm issu de la cavité laser à fibre ainsi formé peut être récupéré par exemple dans une fibre monomode 60 à 950 nm soudée en 62 sur la seconde extrémité du tronçon de fibre gainée 10 Dans le cas d'un laser à fibre à 3 niveaux d'énergie (cas de l'ytterbium à 980 nm), les expressions des gains linéiques aux fréquences de pompe et de signal prennent les formes suivantes : où g désigne le gain linéique (g = In (Pout/Pin) avec Pin et Pout les puissances d'entrée et de sortie), #a et #e les sections efficaces d'absorption et d'émission, r le facteur de recouvrement entre l'onde optique et la région dopée, N la densité d'ions ytterbium, L la longueur de fibre et x la fraction d'ions excités (ou taux dinversion de population). Les index P et différencient l'onde de pompe (915 nm) de l'onde laser émise (980 nm) Dans le cas d'un laser à fibre, x s'exprime par la relation : x=- {In(R1 R2)1/2}/ {(#es + #as) #s N L} + {#as / (#es + #as)} (3) où R1 et R2 désignent les coefficients de réflexion des deux réflecteurs qui ferment la cavité à chaque extrémité de fibre Le seuil laser Pseuil s'écrit quant à lui . Pseu:l = (A N L x /#) / [1 - exp(gp(x)] (4) # est la durée de vie du niveau supérieur de la transition laser Le spectre de fluorescence d'une fibre 10 dopée ytterbium optiquement pompée par un laser 40 émettant un rayonnement à 915 nm est représenté sur la figure 5. La compétition entre les sections efficaces d'absorption #a et d'émission #e donne une fluorescence importante centrée à 980 nm et 1030 nm La forme de ce spectre dépend des formateurs et des modificateurs de la matrice vitreuse tels que le germanium et l'aluminium Il dépend également de la longueur de fibre amplificatrice 10. Une forte concentration en aluminium va par exemple aplanir le pic de fluorescence à 1030 nm sans modifier le spectre à 980 nm. De même, une grande longueur de fibre 10 va diminuer l'inversion de population moyenne x et décaler le spectre vers les grandes longueurs d'onde. La configuration du laser conforme à la présente invention permet d'obtenir une émission laser guidée monomode de quelques milliwatts à plusieurs centaines de milliwatts autour de 980 nm, avec une diode de pompe multimode 40 délivrant une puissance de 1 à 5 Watts vers 915 nm Deux géométries de fibre laser 10 (respectivement à c#ur ou anneau dopé) ont été développées par la Demanderesse avec des concentrations en ions ytterbium, des recouvrements de modes et des structures guidées optimales. Comme on le voit sur les figures 2 et 3, la fibre 10 utilisée dans le cadre de la présente invention comprend un c#ur 12 (simple selon la figure 2, entouré d'un anneau 14 selon la figure 3) placé dans une gaine multimode 15, elle-même entourée d'une gaine polymère 18. La gaine optique multimode 15 a une forme dissymétrique (rectangulaire avec petits côtés arrondis ou non) pour éliminer les modes hélicoïdaux. Ces modes présentent en effet une distribution spatiale en intensité minimale dans la région du c#ur et maximale sur les bords de la fibre multimode. Pour obtenir une forme rectangulaire, la préforme est d'abord usinée avant d'être fibrée puis protégée par la gaine polymère 18. Selon la première géométrie illustrée sur la figure 2, le c#ur 12 de la fibre 10 est dopée avec du germanium ou de l'aluminium et des ions ytterbium. Il est à noter que ceci n'est pas vrai pour les fibres à double gaine disponibles dans le commerce, exclusivement dopées avec de l'aluminium qui de par sa structure trivalente permet d'incorporer une forte concentration d'ytterbium. Dans cette configuration, la théorie de propagation guidée dans une fibre monomode donne un facteur de recouvrement rs (entre l'onde laser et le c#ur dopé) de l'ordre de 0. 8. Par contre le facteur de recouvrement #p (onde pompe/c#ur dopé) s'écrit en première approximation et en régime multimode : #p = B/A # 0. 002 (5) avec A l'aire du rectangle correspondant à la section de la gaine multimode 15 et B l'aire de la zone dopée (ici le c#ur 12) Une telle approximation est justifiée par les modélisations retenues qui démontrent une structure en speckle (répartition uniforme de l'intensité perpendiculairement à l'axe de la fibre) après seulement quelques millimètres de propagation. #p est donc ici 400 fois plus faible qu'en régime de propagation monomode. Pour compenser la faible valeur de rp et garder une absorption (gp) suffisante (voir (1 )), il faut en principe accroître les termes N et L. Néanmoins, augmenter l'un ou l'autre de ces 2 termes tend à perturber les gains linéiques gs à 1030 nm et à 980 nm (voir (2)) Le seuil laser à 1030 nm est ainsi diminué tandis que celui à 980 nm est augmenté, ce qui est néfaste pour l'application visée dans le cadre de la présente invention La présente invention permet néanmoins de réaliser un laser à 980 nm en plaçant un filtre 30 atténuateur à 1030 nm sur le tronçon de fibre 10, pour éliminer la fluorescence perturbatrice Un tel composant intra-cavité 30 peut être soit un filtre diélectrique soit un réseau de Bragg dissipatif. Selon la seconde configuration illustrée sur la figure 3, le c#ur 12 de la fibre 10 est dopé uniquement en germanium tandis qu'un anneau 14 centré autour du c#ur 12 est lui dopé avec de l'ytterbium. La matrice vitreuse, à l'endroit de l'anneau 14, est codopée avec soit du germanium soit de l'aluminium (selon la concentration en ions ytterbium). Dans cette configuration, Fp est quasiment inchangé (#p = 0. 002) tandis que #s (recouvrement onde laser centré dans le c#ur/anneau dopé) est diminué (#s Le polymère ou le matériau silicone 18 qui recouvre la gaine optique 15 est un produit dont l'indice de réfraction (n{ 1.4) permet d'avoir un guide optique multimode avec une grande ouverture numérique. La puissance émise par la diode 40 est ainsi captée plus efficacement par la structure guidante Les paramètres du c#ur 12 de la fibre sont en outre adaptés de façon à ce que le diamètre du mode fondamental soit identique à celui d'une fibre standard monomode à 980 nm. Plus précisément la fibre à double gaine illustrée sur les figures 2 ou 3 répond de préférence aux caractéristiques suivantes : Dimension de la gaine optique rectangulaire 15 a x b (de 80 à 150) x (de 50 à 100) m2 Dimension de l'anneau 14 : diamètre externe RM4 à 30 m et diamètre interne Rm 4 à 15 m (dans le cas de la figure 3) ouverture numérique gaine/polymère - de 0. 35 à 0.45 indice du polymère 18 : entre 1. 36 et 1 40 mesuré à 1 m diamètre du c#ur 12 de la fibre de 4 à 6 m différence d'indice coeur/gaine de 5 à 10.10-3 ouverture numérique coeur/gaine . de 0 15 à 0.2 concentration du coeur en germanium ou en aluminium : quelques % molaire concentration du c#ur ou de l'anneau en ytterbium : plusieurs milliers de ppm perte dans la partie monomode à 1.3 m : # 1.3 dB/km La cavité laser peut être constituée de deux réseaux de Bragg 20, 25, distants de quelques mètres, photoinscrits dans le c#ur monomode 12 de la fibre double gaine. La photoinscription est rendue possible avec un rayonnement UV à 244 nm grâce au dopage du c#ur 12 avec du germanium. En effet, avec un dopage du c#ur 12 en aluminium, la photoinscription à 244 nm est rendue impossible Un banc de photoinscription standard constitué d'un laser UV et d'un dispositif interférométrique peut être utilisé à cet effet Pour augmenter la photosensibilité de la fibre, celle-ci est placée de préférence dans une cuve à hydrogène sous haute pression. Des réflecteurs saturés ont ainsi été fabriqués afin d'obtenir une cavité avec un grand coefficient de qualité et donc un faible seuil laser Des couches diélectriques déposées en extrémité de fibre double gaine peuvent également être utilisées avec des fibres dopée à l'aluminium La sélectivité spectrale des réflecteurs permet d'obtenir des largeurs de raie laser allant de quelques gigahertz jusqu'à plusieurs nanomètres En sortie de cavité, la fibre standard monomode 60 à 950 nm est soudée sur la fibre à double gaine 10 avec des pertes inférieures à 0. 4 dB. Le spectre d'émission laser est présenté dans la figure 6. On a illustré sur la figure 4, une autre configuration de cavité qui comprend des réflecteurs 20,25 réalisés respectivement sur des tronçons d'une fibre monomode standard 64, 66 (et non pas sur la fibre double gaine comme décrit pour la figure 1) Ces morceaux de fibre 64,66 sont ensuite soudées à chaque extrémité de la fibre double gaine 10 en 63,65 La structure du dispositif illustré sur la figure 4 est pour le reste conforme à l'architecture illustrée sur la figure 1 On retrouve en effet sur la figure 4 : la diode de pompe 40 associée à un dispositif d'injection 50 et une fibre 10 à double gaine comportant un filtre coupe bande 30. La cavité laser obtenue dans le cadre de la présente invention présente les caractéristiques suivantes . Réflectivité R1 pour le réflecteur 20 = 99. 9 % Réflectivité R2 pour le réflecteur 25 = de 20 à 90 % Longueur de la cavité :quelques mètres Longueur d'onde de pompe -de 915 à 930 nm Puissance de pompe disponible -de 0 001 à 5 Watts La figure 7 représente l'évolution de la puissance en sortie du laser en fonction de la puissance de pompe disponible. Le rendement laser est de 22% et le seuil est de 70 mW De préférence, la diode 40 est montée sur un dispositif Peltier. Les dimensions du boîtier mécanique regroupant l'ensemble du système, à savoir la fibre à double gain 10, les réflecteurs 20,25, le filtre 30, la diode de pompe 40 et le système 50 d'injection dans la partie multimode de la fibre sont typiquement de l'ordre de 100*50*30 mm3. La fibre de sortie 60, 66 peut être une fibre standard Flexcor 1060 monomode à 950 nm. Une version du dispositif conforme à l'invention peut contenir un isolateur fibré à 980 nm situé en sortie de la diode laser et un modulateur intégré. Un tel laser de puissance monomode est particulièrement destiné au marché des télécommunications Il permet notamment de pomper avec une plus grande efficacité que les systèmes antérieurs, des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium. Ces amplificateurs sont les éléments clef des transmissions par voie optique et sont actuellement limités par la faible puissance (200 mW maximum) des diodes laser de pompe à 980 nm. Des diodes laser de puissance supérieure sont également disponibles sur le marché mais avec des coûts bien plus élevés Une autre application de tels lasers de puissance est l'amplification Raman. Ce type de régénération optique ne nécessite pas une inversion de population et n'est donc pas limité par les bandes d'absorption accessibles aux ions de terres rares. L'amplification Raman, en plein essor actuellement, permet d'élargir vers les faibles longueurs d'onde (jusque 1455 nm) la bande passante des télécommunications optiques. L'aboutissement industriel de ces lasers est ainsi compatible avec les télécommunications mais aussi plus généralement aux techniques de contrôle industriel par laser, du médical, et de la recherche. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit REVENDICATIONS 1. Dispositif formant laser à fibre de puissance émettant un rayonnement monomode transverse contrôlé, caractérisé par le fait qu'il comprend : - une source de pompe (40), - un tronçon (10) de fibre optique amplificatrice gainée, - deux réflecteurs (20,25) disposés sur les extrémités de ce tronçon (10), et - un filtre (30) coupe bande apte à émettre un rayonnement laser centré vers 980 nm dans ledit tronçon. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tronçon (10) de fibre optique gainée est constitué d'une fibre à double gaine dopée avec des ions ytterbium 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le tronçon (10) de fibre optique gainée comprend un c#ur (12) dopé. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le tronçon (10) de fibre optique gainée comprend un anneau (14) dopé centré autour du c#ur (12) 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la concentration en dopant ytterbium est de l'ordre de plusieurs milliers de ppm 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 et 5, caractérisé par le fait que le c#ur (12) de la fibre (10) est dopé avec du germanium ou de l'aluminium et des ions ytterbium 7. Dispositif selon l'une des revendications 1,2, 4 et 5, caractérisé par le fait que le c#ur (12) de la fibre (10) est dopé uniquement en germanium tandis que l'anneau (14) centré autour du c#ur est dopé avec de l'ytterbium. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la matrice vitreuse de la fibre (10), à l'endroit de l'anneau (14), est codopée avec soit du germanium, soit de l'aluminium 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les réflecteurs (20,25) sont constitués de réseaux de Bragg ou de filtres diélectriques réflecteurs 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les réflecteurs sont photoinscrits ou déposés sur les extrémités du tronçon (10) de fibre optique gainée 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les réflecteurs (20,25) sont photoinscrits ou déposés sur des tronçons de fibre (64,66) rapportés et soudés sur les extrémités du tronçon (10) de fibre optique gainée. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le tronçon de fibre optique gainé (10) comprend une gaine optique multimode (15) de forme dissymétrique, de préférence à section globalement rectangulaire 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le filtre coupe bande (30) est un filtre atténuateur à 1030 nm. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le filtre coupe bande (13) est formé d'un filtre diélectrique ou d'un réseau de Bragg dissipatif 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le tronçon (10) de fibre optique gainé comprend une gaine optique multimode (15) de section générale rectangulaire dont les dimensions sont de l'ordre de 80 à 150 m sur 50 à 100 m. 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 et 4 à 15, caractérisé par le fait que le tronçon (10) de fibre optique gainé comprend un anneau dopé (14) entourant le c#ur (12) dont le diamètre externe est compris entre 4 à 30 m et le diamètre interne est compris entre 4 à 15 m 17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'ouverture numérique gaine multimode (15)/polymère formant gaine externe (18) est de l'ordre de 0,35 à 0,45. 18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que l'indice du polymère formant la gaine externe du tronçon (10) de fibre optique gainé est de l'ordre de 1,36 à 1,40, mesuré à 1 m. 19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que le diamètre du c#ur (12) de la fibre (10) est de l'ordre de 4 à 6 m. 20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait que la différence d'indice entre le c#ur (12) et la gaine multimode (15) qui l'entoure est de l'ordre de 5 à 10 10-3 21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que l'ouverture numérique c#ur (12)/gaine multimode (15) est de l'ordre de 0,15 à 0,2 22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé par le fait que la concentration du c#ur (12) en germanium ou en aluminium est de l'ordre de quelques % molaire. 23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que la longueur de la cavité définie entre les deux réflecteurs (20,25) est de l'ordre de quelques mètres 24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que la longueur d'onde de pompe émis par la source (40) est de l'ordre de 915 à 930 nm