Brevet FR2849545A1 — publié le 20040702

SOURCE LASER DE PUISSANCE A FIBRES OPTIQUES A SOURCE DE POMPAGE UNIQUE La présente invention se rapporte à une source laser de puissance à fibres optiques à source de pompage unique. La réalisation de sources laser à l'état solide, de puissance supérieure à 1 kW est importante pour de nombreuses applications industrielles. De telles sources ont déjà été réalisées à partir de barreaux de Nd:YAG pompés par des diodes laser. Deux types d'architecture permettent d'atteindre de telles 10 performances: celles à oscillateur unique et celles dites à configuration " MOPA " qui sont constitués d'un oscillateur maître et d'amplificateurs. Des puissances continues supérieures à 100 W peuvent être obtenues à partir d'une seule fibre amplificatrice monomode. La puissance est ensuite limitée par les seuils de dommage de la fibre. L'utilisation d'une fibre 15 multimode à grand diamètre permettrait d'augmenter encore davantage la puissance de la source laser et d'atteindre par exemple 1 kW. Le faisceau multimode issu de la fibre peut ensuite être converti en un faisceau monomode au moyen d'une interaction non linéaire à deux ondes dans un milieu à variation d'indice ou d'un composant holographique fixe. En considérant un rendement de conversion optique-optique d'environ 30%, pour obtenir 1 kW, il faut pomper la fibre dopée avec une source de pompage à diodes laser produisant une puissance d'au moins 3 kW. Le pompage longitudinal (c'est-à-dire selon l'axe de la fibre) reste le moyen le plus simple de pomper les fibres laser amplificatrices. Pour illustrer les problèmes posés par de 25 telles structures, on considère par exemple une fibre à double coeur typique ayant un diamètre de coeur dopé de 50 pm et un coeur non dopé de diamètre 500 pm, avec une ouverture numérique de 0,4. On peut alors pomper longitudinalement une telle fibre avec une puissance allant jusqu'à 500 W et fournie par une source de pompage composée d'empilements de barrettes de diodes laser et d'une optique de 30 mise en forme de faisceau. Si l'on voulait disposer d'une puissance de pompage de 3 kW, le diamètre de la partie non dopée de la fibre amplificatrice devrait être 6 fois plus grand que dans l'exemple qui vient d'être cité, ce qui serait totalement irréaliste en l'état actuel de la technique. La présente invention a pour objet une source laser solide de type 35 MOPA pouvant délivrer une puissance d'au moins 1 kW utilisant des moyens couramment disponibles, sans risques de destruction de ses composants, et qui soit la moins onéreuse possible. La source laser conforme à l'invention comporte une source de pompage unique illuminant, à travers une optique de focalisation unique, 5 suivie d'une lame dichroque, une extrémité d'un ensemble de N fibres optiques groupées ensemble, ces fibres comportant chacune un premier coeur dopé entouré d'un second coeur non dopé, et étant couplées avec N fibres monomodes, dont les autres extrémités sont reliées, avec une extrémité d'une fibre auxiliaire non dopée, par un coupleur 1 vers N+1, à un 10 laser oscillant à la longueur d'onde d'émission désirée pour la source de puissance, l'autre extrémité de la fibre auxiliaire étant suivie d'un dispositif optique d'imagerie à un milieu non linéaire de transfert d'énergie positionné vis-à-vis de la face de renvoi de la lame dichroque, le faisceau de référence issu de la fibre auxiliaire étant amplifié par le milieu à transfert d'énergie par -15 l'énergie amplifiée provenant de la lame dichroque. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un bloc-diagramme d'une source laser de 20 puissance conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma partiel de détail des fibres optiques amplificatrices utilisées dans la source de la figure 1, - la figure 3 est une vue simplifiée en perspective d'un outil pouvant servir à réaliser les jonctions des fibres à deux coeurs avec des 25 fibres monomodes non dopées, pour réaliser la source de la figure 1, et - la figure 4 est un bloc-diagramme détaillé du dispositif de conversion de mode de la source de la figure 1. La source laser de puissance représentée en figure 1 comporte une source de pompage unique 1 composée, par exemple, de plusieurs 30 diodes laser, qui est imagée par une optique de focalisation unique 2 sur la face frontale plane 3 formée par les extrémités alignées d'un ensemble 4 de N fibres optiques à deux coeurs soudées entre elles à cette extrémité. Comme représenté en détail en figure 2, chacune des N fibres optiques de l'ensemble 4 comprend un coeur central 5 dopé de façon classique et 35 entouré d'un coeur concentrique 5a non dopé. De telles fibres peuvent être des composants standard de télécommunications, ou, plus avantageusement, des fibres à grand coeur pouvant accepter des puissances élevées. Les extrémités de ces N fibres optiques à deux coeurs sont groupées de façon à former un faisceau de fibres compact à contour 5 sensiblement circulaire et réunies ou soudées dans une gaine de protection et de maintien 7. La face frontale de l'ensemble de fibres ainsi soudées ensemble est polie de façon à former la surface plane 3 sur laquelle est imagée la source 1 pour pomper longitudinalement les coeurs non dopés de ces fibres. La puissance de la pompe se répartit de façon sensiblement 10 homogène dans ces coeurs non dopés et dopés. Chacune des N fibres à deux coeurs est couplée (de façon expliquée en référence à la figure 3) à une fibre 6 monomode. Les autres extrémités des fibres 6 sont reliées, en même temps qu'une fibre monomode auxiliaire non dopée 8, à la sortie d'un coupleur 9 à l'entrée duquel est reliée une fibre unique 10 (le coupleur 9 est 15 donc de type " 1 vers N+1 " ). La fibre 10 est reliée à son autre extrémité à un oscillateur 11, par exemple de type à fibre optique monomode. La longueur d'onde Xe de l'oscillateur 11 est égale à la longueur d'onde que doit avoir l'onde de puissance produite à la sortie du dispositif de la figure 1, et elle est différente de la longueur d'onde Xp de pompage de la source 1. 20 L'autre extrémité de la fibre optique 8 est placée au foyer d'une optique de collimation 12 qui produit ainsi un faisceau monomode collimaté 13, qui sert de faisceau de référence, comme expliqué ci-dessous. Le faisceau 13 est envoyé sur une première face d'un cristal non linéaire 14, du type à variation d'indice par exemple. Par ailleurs, on dispose entre l'optique 2 et la face 3 25 des fibres optiques une lame dichroque 15 inclinée à 450 par rapport à l'axe 2a de l'optique 2. La lame 15 est réalisée de façon à être hautement réfléchissante à la longueur d'onde Xe et hautement transmissive à la longueur d'onde X1p. Sur l'axe 15a, perpendiculaire à l'axe 2a ( il est perpendiculaire à l'axe 2a dans le présent exemple, mais ce n'est pas 30 nécessaire), et coupant cet axe 2a sur la face de la lame 15 tournée vers l'ensemble de fibres 4, on dispose une optique de focalisation 16 focalisant le faisceau 15b qu'elle reçoit de la lame 15 sur une des faces du cristal 14. On intercale sur le trajet de la fibre 10 un isolateur 17 qui évite toute transmission dommageable de puissance vers l'oscillateur 11. En variante, 35 on peut intercaler un isolateur sur chacune des fibres 6. Cet isolateur 17 ne laisse passer que la longueur d'onde Xe dans le sens 11 vers 9 et bloque celle de la pompe dans le sens contraire (de 9 vers 11). Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante. Le faisceau de pompage est transmis presque sans pertes par la lame 15 vers 5 la face frontale 3 de l'ensemble de fibres 4 pour pomper longitudinalement leurs coeurs dopés et non dopés. A leur extrémité reliées au coupleur 9, les N fibres 6 non dopées reçoivent la longueur d'onde Se. Les fibres à deux coeurs recueillent l'onde optique au niveau du coeur dopé à cette longueur d'onde Xe et l'amplifient pour envoyer un faisceau à cette longueur d'onde Xe 10 vers la lame 15. Cette dernière, étant hautement réfléchissante à e, réfléchit ce faisceau vers l'optique 16 qui le concentre sur le cristal 14, dans lequel il se combine avec le faisceau de référence 13 de faible puissance pour lui transférer la puissance qu'il transporte, Cette énergie amplifiée est transportée par le faisceau de sortie 14a du cristal 14. Ce faisceau 14a est 15 un faisceau monomode amplifié. Le transfert d'énergie dans le cristal 14 se faisant sans transfert de phase, le faisceau amplifié 14a a les mêmes caractéristiques spatiales que le faisceau de référence 13 dont il conserve la qualité spatiale de cohérence. Le cristal 14 est soit un cristal photoréfractif tel que LiNbO3, BaTiO3, SBN,..., soit un milieu non linéaire transparent dans 20 lequel se produisent des non linéarités du troisième ordre, telles que l'effet Brillouin ou l'effet Kerr. On a représenté en figure 3 un outil 18 permettant d'injecter les N fibres monomodes vers les N fibres amplificatrices multimodes. Cet outil comporte essentiellement deux enclumes 19 et 20, de forme 25 parallélépipédique rectangle, disposées côte-à-côte, la face supérieure de l'enclume 19 étant légèrement plus haute que celle de l'enclume 20, ces deux faces étant parallèles entre elles. Sur les faces supérieures de ces deux enclumes, on pratique plusieurs par exemple N) entailles en forme de " V " de dimensions appropriées aux diamètres respectifs des fibres 6 et 23, 30 ces entailles étant perpendiculaires au plan de jonction des deux enclumes. Les entailles pratiquées dans l'enclume 19 sont référencées 21, et celles pratiquées dans l'enclume 20 sont référencées 22. L'axe de chaque entaille 21 est dans le même plan perpendiculaire aux faces supérieures des deux enclumes que l'axe de chaque entaille 22 correspondante. Dans chacune 35 des entailles 21, on dispose l'extrémité d'une fibre 6 (comportant un coeur non dopé 6a entouré d'une gaine 6b). Dans chaque entaille 22, on dispose l'extrémité d'une fibre multimode 23, chacune de ces fibres se composant d'un coeur dopé 24, entouré d'un coeur non dopé 25, lui-même entouré d'une gaine 26. Les dimensions des entailles 21 et 22 et leurs positions 5 relatives sont telles que les axes des fibres 23 soient dans le prolongement des axes des fibres 6 correspondantes. Les fibres 6 sont alors injectées vers les fibres 23 de façon coaxiale, soit leur sont reliées à l'aide de N connecteurs appropriés. Le cristal 14 de conversion de mode fonctionne en général avec 10 des faisceaux polarisés linéairement. Or, le faisceau, à la longueur d'onde Xe sortant de la face 3 de l'ensemble 4 en direction de la lame 15, et formé des N faisceaux amplifiés issus des fibres multimodes est, en principe, dépolarisé. Dans ce cas, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, schématisée en figure 4, on utilise un séparateur de polarisations 15 pour séparer les deux composantes de polarisation linéaires verticale et horizontale. On place alors sur le trajet du faisceau 15b un cube 27 séparateur de polarisations. On dispose en vis-àvis de la surface inclinée à 45 du cube 27 (sur un axe perpendiculaire à l'axe 15a du faisceau 15b) un miroir 28 dirigé de façon à renvoyer vers le cristal 14, dans la zone 20 d'incidence directe du faisceau 15b, le faisceau (à polarisation verticale dans le cas présent) qu'il reçoit du cube 27. Ce miroir 28 est suivi d'une lame demi-onde 29 (en variante, cette lame peut être placée sur le trajet direct du faisceau 15a, entre le cube 27 et le cristal 14). La lame 29 fait tourner de 90 la polarisation du faisceau qui la traverse, et dont la polarisation verticale 25 devient alors horizontale. Or, le faisceau direct 15a issu du cube 27 est à polarisation horizontale également. Par conséquent, les deux faisceaux arrivant sur le cristal 14 (en provenance du cube 27 et de la lame 29) ont la même polarisation, et ne risquent donc pas de perturber le fonctionnement de ce cristal. Selon un exemple de réalisation de la source conforme à l'invention, on avait les valeurs suivantes: - Puissance de la pompe: 3 kW en continu Nombre de fibres multimodes: N=6. Fibres de 50 prm de diamètre de coeur dopé et 500 pm de diamètre extérieur de 35 coeur non dopé (ouverture numérique= 0,38). Dopage à Yb (fibre présentant du gain à la longueur d'onde d'émission de 1,053 pm). Cristal 14: fonctionnant à la longueur d'onde de 1,053 pm, en BaTiO3 dopé au Rhodium ou LiNbO3. - Oscillateur: laser à fibre en Yb, délivrant une puissance pouvant aller de 1 à 10 W. REVENDICATIONS 1. Source laser de puissance caractérisée en ce qu'elle comporte une source de pompage unique (1) illuminant, à travers une 5 optique de focalisation unique (2), suivie d'une lame dichroque (15), une extrémité (4) d'un ensemble de N fibres optiques groupées ensemble, ces fibres comportant chacune un premier coeur dopé (5, 24) entouré d'un second coeur non dopé (5a, 25), et étant couplées avec N fibres monomodes (6), dont les autres 10 extrémités sont reliées, avec une extrémité d'une fibre auxiliaire non dopée (8), par un coupleur 1 vers N+1 (9), à un laser (11) oscillant à la longueur d'onde d'émission désirée pour la source de puissance, l'autre extrémité de la fibre auxiliaire étant suivie d'un dispositif optique d'imagerie (12) à un milieu non linéaire de 1 5 transfert d'énergie (14) positionné vis-à-vis de la face de renvoi de la lame dichroque, le faisceau de référence issu de la fibre auxiliaire étant amplifié par le milieu à transfert d'énergie par l'énergie amplifiée provenant de la lame dichroque. 2. Source laser selon la revendication 1, caractérisée en ce quil 20 comporte un dispositif correcteur de polarisation (27 à 29) entre la lame dichroque et le milieu non linéaire.