Brevet FR2890496A1 — publié le 20070309

PROCEDE DE PRODUCTION D'UN FAISCEAU LASER DE PUISSANCE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE La présente invention se rapporte à un procédé de production d'un faisceau laser de puissance, ainsi qu'à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Ces dernières années, des progrès considérables ont été obtenus dans le domaine des lasers à fibre optique, principalement grâce à la poussée des applications de télécommunications. Parallèlement, les lasers à fibres de forte puissance (> 100 W) ont été étudiés pour les applications industrielles. Les avantages des lasers à fibres sur les lasers état solide conventionnels (Nd:YAG par exemple) sont en effet nombreux: Grande robustesse le banc optique dans un laser à fibre est la fibre elle-même - pas de problème de désalignement corr me dans un laser classique, - Grande efficacité par le guidage de la pompe et le recouvrement spatial entre la pompe et le signal amplifié, on peul: obtenir des rendements électrique-optique jusqu'à deux fois plus importants que pour un laser solide pompé diodes. - Meilleure répartition de la chaleur dans le milieu actif, ce qui réduit les problèmes liés à la gestion de la thermique - Guidage du mode, ce qui permet d'obtenir un faisceau de grande qualité spatiale (faisceau monomode), - Possibilité d'atteindre des gains considérables et de réaliser des amplificateurs efficaces, - Possibilité d'obtenir une émission à sécurité oculaire (1,5 pm) de très grande efficacité (fibres dopées Er), - Potentiellement bas coût Ces avantages rendent les lasers à fibres optiques extrêmement attractifs pour les applications industrielles (découpe, usinage...) et optronique (Lidar, tâlémètres, illuminateur). Même si des résultats tout à fait remarquables ont déjà été validés avec des fibres monomodes, l'obtention de puissance encore plus grande va être rendue impossible par des problèmes de tenue au flux lumineux de la fibre monomode et l'apparition de phénomènes nor linéaires parasites (effets Raman, Brillouin,...). Ces phénomènes parasites deviennent encore plus importants pour des systèmes Lidar dans lesquels la source laser fonctionne en régime impulsionnel, monomode spatial et mono-fréquence à grande finesse spectrale. La réalisation de sources lasers à fibres optiques compactes pour les applications Lidar est par ailleurs de toute première importance pour les systèmes embarqués sur avions pour la détection de vortex et de turbulences, créés en particulier à proximité des pistes d'aéroports par des o avions lors de leurs décollages et atterrissages (ce qui peut perturber les conditions de vol dis avions qui les suivent et nécessite donc de les espacer fortement). Il y a donc aujourd'hui une réelle attente pour trouver des solutions innovantes permettant de s'affranchir de ces limitations. On a déjà proposé l'utilisation des lasers de puissance à fibre amplificatrice à très grand coeur diamètre (>100 pm), très fortement multimode, en tant que dernier étage amplificateur. Le grand diamètre de la fibre permet de réduire l'intensité dans la fibre et d'éviter l'apparition des phénomènes non linéaires parasites. En revanche, le faisceau de sortie de la fibre est fortement multimode. Pour convertir le faisceau multimode en un faisceau monomode, il est possible d'utiliser des interactions non linéaires comme le mélange à deux ondes ou la conjugaison de phase. On connaît l'utilisation du mélange à deux ondes dans des matériaux photoréfractifs et la conjugaison de phase par diffusion Brillouin stimulée dans une fibre pour réaliser la conversion de mode. Mais ces deux techniques ne sont pas bien adaptées à l'application Lidar. En effet, les matériaux photoréfractifs ne sont pas encore bien optimisés à la longueur d'onde de 1,5 pm (zone de sécurité oculaire). Par ailleurs, le phénomène de conjugaison de phase Brillouin dans les fibres démarre sur un bruit réparti de façon aléatoire tout le long de la fibre (émission Brillouin spontanée). Cette répartition aléatoire du bruit a pour conséquence de renvoyer une onde conjuguée qui est fortement modulée temporellement, ce qui élargit spectralement l'émission laser et rend l'impulsion laser inutilisable pour un Lidar. La présente invention a pour objet procédé de production d'un faisceau laser de puissance permettant de produire un faisceau monomode 35 de forte puissance (supérieure à 100 W) qui ne soit pas affecté de phénomènes parasites, en particulier non linéaires, et présentant une très faible largeur spectrale (inférieure à quelques MHz). La présente invention a également pour objet un dispositif de production d'un faisceau laser de puissance, permettant d'obtenir un faisceau ayant de très bonnes caractéristiques spectrale et temporelle, dispositif qui soit le plus léger et le moins encombrant possible. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce que l'on amplifie le faisceau laser d'un oscillateur laser maître à l'aide d'une fibre optique amplificatrice à grand coeur, que l'on convertit le faisceau laser multimode ainsi amplifié en un faisceau monomode par mélange à deux ondes par effet Brillouin dans une fibre multimode. De façon avantageuse, ce mélange est effectué dans une fibre multimode à gradient d'indice. Le dispositif d'amplification de puissance conforme à l'invention est du type comportant u l oscillateur maître suivi d'étages de préamplification, et il est caractérisé en ce qu'il comporte, à la sortie des étages de préamplification, une fibre amplificatrice de puissance multimode et un circuit en boucle comprenant un circulateur, une fibre optique multimode, un dispositif de filtrage spatial et un dispositif coupleur de sortie. 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 blocdiagramme simplifié d'une source laser de puissance conforme à l'invention, et les figures 2 à 4 sont des blocs-diagrammes simplifié de variantes, conformes à I invention, de la source laser de la figure 1. On a représenté sur la Figure 1 un oscillateur maître 1 avec ses préamplificateurs permettant d'atteindre une puissance (par exemple 1W) ou une énergie par impulsion suffisante pour pouvoir saturer l'étage amplificateur 2 qui le suit. L'ensemble des préamplificateurs de l'oscillateur 1 est avantageusement entièrement réalisé en fibres optiques amplificatrices dopées et peut inclure de façon bien connue en soi des isolateurs optiques et des filtres spectraux. A la sortie de l'ensemble 1 oscillateur maître+préamplificateurs, le faisceau est monomode spatial. L'amplificateur 2 est constitué par une fibre optique très fortement multimode avec un grand coeur (par exemple ayant un diamètre supérieur à 100 pm) pour éviter tous les phénomènes non linéaires parasites comme la diffusion Brillouin stimulée, ainsi que le dommage optique de la fibre. En revanche, le faisceau amplifié en sortie de ce dernier étage 2 est fortement multimode spatial. A la sortie de cette fibre 2, l'énergie optique est par exemple comprise entre 1 et 10 mJ. Afin de retrouver un faisceau monomode, nécessaire à la plupart des applications du type Lidar, l'invention propose d'utiliser une interaction de mélange à deux oIdes par effet Brillouin dans une fibre optique multimode à conservation de mode fondamental, qui est, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, une fibre optique à gradient d'indice (dite ci-après fibre GI ) par exemple. Il peut également être envisageable d'utiliser une fibre optique à saut d'indice (fibre SI) à la condition que le faisceau monomode soit capable de se propager sans déformation ni dépolarisation tout au long d'une telle fibre (ce que l'on peut obtenir, par exemple, lorsque cette fibre est rnaintenue parfaitement rectiligne). Pour simplifier les explications du fonctionnement des dispositifs des figures 1 à 3, on ne considérera ci- dessous qu'une fibre GI, étant bien entendu que l'on pourra utiliser à sa place une fibre SI si l'on respecte la condition mentionnée ci-dessus. On a représenté en figure 1 un premier mode de réalisation d'un circuit optique 3 effectuant en particulier la conversion multimode-monomode et incorporant une fibre GI référencée 4. Le circuit 3 se présente sous forme d'une boucle comportant essentiellement, outre la fibre optique 4, un circulateur 5 disposé à la sortie de la fibre amplificatrice multimode 2, un filtre spatial 6 et un coupleur de sortie 7. Dans le présent mode de réalisation, le circulateur 5 comporte une première lentille de collimation 8 dont le foyer objet est confondu avec la sortie de la fibre amplificatrice 2, un premier polariseur 9, un rctateur de Faraday 10, un deuxième polariseur 11 et une deuxième lentille de collimation 12 dont le foyer image est confondu avec une des extrémités de la fibre 4, extrémité référencée 4A. Le polariseur 9 fait également office de lame séparatrice. Une partie du faisceau qu'il reçoit de la lentille 8 est envoyée vers le rotateur 10, et l'autre est envoyée vers une lame demi-onde 13 suivie d'un polariseur-séparateur 14 constituant le coupleur 7 précité. A la suite du polariseur-séparateur 14, dans l'axe du faisceau provenant de la lame demi-onde 13, on dispose un miroir 15 qui renvoie la partie clu faisceau issue du séparateur 14 dans la direction dudit axe vers le dispositif de filtrage spatial 6. Le filtre spatial 6 comporte, par exemple, une première lentille 16 au foyer image de laquelle est disposé un trou de filtrage 17, suivie d'une autre lentille de collimation 18 dont le foyer objet coïncide avec le foyer image de la lentille 16. La lentille 18 est suivie d'une lentille de focalisation 19 dont le foyer objet coïncide avec la deuxième extrémité, référencée 4B, de la fibre optique 4. Dans le dispositif de la figure 1, le faisceau multimode issu de la fibre amplificatrice à grand coeur 2 est injecté dans une fibre GI 4 au moyen de lentilles (8 et 12) après être passé au travers de l'isolateur de Faraday formé du rotateur de Faraday (10) et des deux polariseurs (9 et 11). L'ensemble des éléments 8 à 12 constitue un circulateur. Les caractéristiques de la fibre GI (ouverture numérique ONGI et diamètre de coeur DG,) sont choisis tels que ONGIx Dei ONam,x Damp, où ONamp est l'ouverture numérique de la fibre amplificatrice 2 et Damp son diamètre. La longueur de la fibre GI est choisie suffisamment grande pour que le seuil de l'effet Brillouin soit franchi dans cette fibre. Cette longueur peut être, par exemple, de plusieurs mètres. Une propriété remarquable de l'effet Brillouin dans une fibre GI suffisamment longue est que l'onde (dite onde Stokes), qui est créée dans la fibre GI dans le sens de propagation inverse de celui de l'onde incidente (l'onde incidente est celle qui entre dans la fibre 4 par son extrémité 4A), est un mode unique de la fibre, alors que l'onde incidente est multimode. En revanche, le mode unique qui revient dans la fibre 4 par son extrémité 4B n'est pas forcément le mode fondamental gaussien que l'on désire mais peut être par exemple le mode LP11, suivant les conditions de couplage du faisceau multimode incident dans la fibre Gl. Il s'agit donc de baisser le seuil du mode que l'on choisit par rapport aux autres modes. La solution de l'invention consiste à faire parcourir la boucle 3 par le mode fondamental uniquement en utilisant un filtre spatial. L'onde Stokes est réfléchie par le polariseur 9 puis, au moyen du miroir 15 et de la lentille 19 est réinjectée dans l'extrémité 4B de la fibre Gl. Pour n'injecter que le mode fondamental et ne favoriser que ce dernier, ledit filtre spatial, constitué dans le présent exemple de deux lentilles et d'un trou de filtrage, est inséré sur le trajet de l'onde Stokes. L'onde Stokes monomode injectée à l'extrémité 4B de la fibre va ensuite être amplifiée préférentiellement par l'onde incidente multimode via un processus de mélange à deux ondes. Ce processus peut être très efficace et l'onde iicidente multimode peut transférer pratiquement toute son énergie à l'onde Stokes monomode ainsi créée avec un taux de conversion typique pouvant êl:re supérieur à 90 %. Pour extraire l'onde monomode de système, il suffit d insérer sur le trajet de l'onde Stokes une lame demi-onde (13) et un polariseur (14). Le réglage du rapport partie transmise/partie réfléchie de la lame demi-onde permet d'ajuster la fraction de l'onde qui est extraite hors du système (faisceau de sortie 20) et la fraction qui est ré-injectée dans la boucle 3. Une étude théorique montre qu'une ré-injection d'environ 10 % de la puissance totale de l'onde Stokes peut être suffisante pour un fonctionnement optimal. L'avantage du processus décrit ci-dessus est qu'il est complètement autoadapté. En effet, pour un processus de mélange à deux ondes Brillouin, il faut que l'onde que l'on veut amplifier soit décalée en fréquence d'une quantité âvB par rapport à la fréquence vo de l'onde incidente. bvB est appelé décalage Brillouin et est d'environ 15 GHz dans une fibre en silice. Ici, le décalage Brillouin est automatiquement obtenu car l'onde réinjectée à l'extrémité 4B de la fibre GI n'est autre que l'onde Stokes obtenue par l'effet Brillouin stimulé et donc affectée du décalage en fréquence Brillouin. Dans le processus décrit ci-dessus, il faut n'injecter que le mode fondamental dans la boucle. Cela signifie qu'il faut placer très précisément le trou de filtrage 17 et le conjuguer parfaitement avec la Fibre Gl. On peut avantageusement remplacer le filtre spatial formé de deux lentilles et d'un trou de filtrage de la Figure 1 par une fibre monomode directement soudée à l'arrière de la fibre Gl comme le montre la figure 2. Dans la figure 2, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 ont été affectés des mêmes références numériques. Ces mêmes éléments sont ceux référencés 1 à 5 el: 7 à 15 ainsi que la lentille 19 qui suit directement le miroir 15. Au foyer image de la lentille 19, on dispose une extrémité d'une fibre optique monomode 21 dont l'autre extrémité est soudée (soudure 22) à l'extrémité 4B de la fibre 4. L'intérêt de la fibre monomode est qu'elle effectue le filtrage sur les modes supérieurs et surtout qu'elle est alignée très précisément avec la Fibre Gl au moyen d'une soudure standard. Le couplage en entrée de la fibre monomode peut cuant à lui être grossier: cela diminue l'efficacité mais ne risque pas d'exciter des modes supérieurs. Une autre amélioration consiste à recycler la partie dépolarisée du faisceau indicent rnultimode comme le montre la figure 3. Dans le dispositif de cette figure 3, en a repris tous les éléments du dispositif de la figure 2, qui ont les mêmes références numériques, et on a ajouté face au polariseur 9 un miroir 23, et face a la fois au miroir 24 et au polariseur 11 un miroir 24, ces deux miroirs étant disposés pour réfléchir une composante ( verticale dans le cas présert) du faisceau multimode de la façon décrite ci-dessous. Dans cette architecture de la figure 3, le faisceau multimode et dépolarisé issu de la fibre amplificatrice à grand coeur est séparé en deux faisceaux ayant des polarisations orthogonales au moyen du polariseur 9. La composante polarisée horizontalement (dans le plan du dessin par exemple) passe au travers du polariseur 9 et du rotateur de Faraday RF puis est injectée dans la fibre 4. La composante polarisée verticalement (perpendiculairement au plan du dessin dans l'exemple) est réfléchie par le polariseur 9 et est renvoyée au moyen des deux miroirs 23, 24 sur le polariseur 11 pour être ensuite également injectée dans la fibre 4. Il convient de noter que l'onde Stokes monomode est polarisée horizontalement tout au long de la fibre, et que l'on compte sur la dépolarisation rapide des modes de l'onde incidente multimode pour que les deux polarisations de l'onde incidente puissent interférer avec l'onde Stokes. L'onde Stokes polarisée horizontalement passe au travers du polariseur 11 et du rotateur 10 et est réfléchie par le polariseur 9 en direction de la lame demi-onde 14. Si une fraction de l'onde Stokes venait à être polarisée verticalement, l'insertion d'un isolateur de Faraday entre les deux miroirs 23 et 24 serait nécessaire pour éviter tout retour cans la fibre amplificatrice qui risquerait d'endommager le système. On a représenté en figure 4 un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif de la figure 4 comporte un oscillateur maître 25 et des préamplificateurs 26 dont la sortie est suivie d'une fibre optique amplificatrice multimode 27. La fibre 27 est reliée à un circulateur 28 auquel est également reliée une extrémité d'une fibre optique GI 29. L'autre extrémité de la fibre 29 est reliée à la sortie de l'oscillateur 25 par un dispositif de décalage en fréquence 30. A la sortie 31 du circulateur 28, on recueille un faisceau laser monomode amplifié. L'oscillateur 25 et les préamplificateurs 26 peuvent être les mêmes que ceux de l'ensemble 1 des modes de réalisation précédents. De même, les éléments 27, 28 et 29 peuvent être les mêmes que les éléments 2, 8 à 12, et 4, respectivement. Selon le made de réalisation de la figure 4, l'onde monomode injectée à l'arrière de la fit re GI n'est pas l'onde Stokes mais une fraction de l'onde monomode issue directement de l'oscillateur maître 25. L'onde monomode ainsi injectée est ensuite amplifiée via mélange à deux ondes par effet Brillouin dans la fige GI 29 par le faisceau intense et multimode obtenu en sortie de la fibre amplificatrice 27. Pour que le mélange à deux ondes puisse fonctionner, il faut introduire un décalage en fréquence sur le faisceau monomode injecté à l'arrière de la fibre GI 29. Ce décalage doit être égal au décalage Brillouin de la fibre GI utilisée. Ce décalage en fréquence d'environ 10 à 15 GHz peut être obtenu au moyen d'un composant électro-optique comme un modulateur LiNbO3 par exemple. La précision de ce décalage est d'environ 10 MHz a la longueur d'onde de 1,5 pm. Ce dispositif de la figure 4 n'est donc pas auto-adaptatif comme l'était celui de la figure 3, mais présente l'avantage de pouvoir contrôler très précisément l'énergie ou la puissance du faisceau monomode que l'on injecte ainsi que ses caractéristiques temporelles (forme d'impulsion). Le dispositif de la figure 4 peut être entièrement réalisé en fibres optiques en utilisant des composants à fibres optiques tels que ceux développés pour les applications de télécommunication. En revanche, si ces composants n'ont pas une tenue au flux laser suffisante, le dispositif peut également être réalisé en espace libre. Le circulateur 28 en fibres optiques représenté sur la f gure 4 peut par exemple être remplacé par un isolateur de Faraday comme sur la figure 3, et alors formé de deux polariseurs (9, 11) et d'un rotateur de Faraday (10). Le recyclage de la partie dépolarisée du faisceau incident multimode peut également avantageusement être réalisé dans cette variante, de la même façon que dans le dispositif de la figure 3. II est à noter que le faisceau monomode de référence prélevé après l'oscillateur maître 25 de la figure 4 peut également être prélevé après les étages de pré-amplification 26 si une énergie plus importante est nécessaire sur ce faisceau. Cette architecture peut être sensible à toute variation en température, qui modifierait la valeur du décalage en fréquence. Pour s'affranchir de cette difficulté, il est possible d'ajouter un contrôle adaptatif du décalage en fréquence en pilotant le composant électro-optique au moyen d'une boucle de contre-réaction contrôlée par la puissance ou l'énergie du faisceau de sortie monomode. On va donner ci-dessous les paramètres importants de deux exemples de réalisation du dispositif de l'invention. 1. Système fonctionnant à 1,5 pm utilisant des fibres dopées erbium, ytterbium pour application Lidar embarquée (détection de vortex et de 10 turbulences) : - Caractéristique du faisceau en sortie de l'ensemble Oscillateur maître + pré-amplis fibrés : énergie 100 pJ durée d'impulsion: 400 ns faisceau monomode spatial et spectral polarisé Caractéristique du faisceau en sortie de l'amplificateur à fibre optique (fibre double coeur, diamètre du coeur dopé 100 pm, diamètre du coeur de pompe: 400 pm, longueur environ 3 m) : énergie 2 mJ durée d'impulsion: 300 ns multimode spatial et monomode spectral dépolarisé Ça - actéristiques de la fibre GI: diamètre de coeur: 100 pm longueur: quelques dizaines de m -Caractéristiques du faisceau en sortie du système: énergie 1 mJ (rendement total du système de conversion environ 50 %) durée d'impulsion: 300 ns monomode spatial et spectral polarisé 2. Système continu fonctionnant à 1 pm utilisant des fibres dopées 35 ytterbium pour applications industrielles: 20 25 30 - Caractéristiques du faisceau en sortie de l'ensemble Oscillateur maître + pré-amplis en fibres optiques puissance 1W continue monomode spatial et spectral polarisé Caractéristiques du faisceau en sortie de l'amplificateur à fibre (fibre double coeur, diamètre du coeur dopé 100 pm, diamètre du coeur de pompe: 800 prn, longueur environ 3 m) : puissance en sortie: 400W (pour environ 1,2 kW de pompe) multimode spatial et monomode spectral dépolarisé Caractéristiques de la fibre GI: diamètre de coeur: 100 pm longueur: 30 m Caractéristiques du faisceau en sortie du système: puissance 200 W continu (rendement total du système de conversion environ 50 %) monomode spatial et spectral polarisé REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un faisceau laser de puissance, caractérisé en ce que l'on amplifie le faisceau laser d'un oscillateur laser maître (1) à l'aide d'une fibre optique amplificatrice à grand coeur (2) , que l'on convertit le faisceau laser multimode ainsi amplifié en un faisceau monomode par mélange à deux ondes par effet Brillouin dans une fibre multimode (4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange à deux ondes par effet Brillouin est effectué dans une fibre 10 multimode à gradient d'indice. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange à deux ondes par effet Brillouin est effectué dans une fibre multimode à saut d'indice. 4. Dispositif de production d'un faisceau laser de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur maître suivi d'étages de préamplification (1), une fibre amplificatrice de puissance multimode (2) et un circuit en boucle (a) comprenant un circulateur (8 à 12, 28), une fibre optique multimode (4, 29), un dispositif de filtrage spatial (6, 30) et un dispositif coupleur de sortie l;14, 28). 5. Disposit f selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fibre optique multimode du circuit en boucle est du type à gradient d'indice. 6. Dispositf selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fibre optique multimode du circuit en boucle est du type à saut d'indice. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce 30 que le filtre spatial comporte un trou de filtrage (17) et des lentilles de collimation (16, 18). 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le filtre spat al est constitué par une fibre optique monomode (21) soudée (22) à l'une des extrémités de la fibre multimode du circuit en boucle. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le circulateur comporte un rotateur de Faraday (10) disposé entre deux polariseurs (9, 11). 10. Disposit f selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte à l'entrée de la boucle un dispositif (23, 24) de recyclage de la partie dépolarisée du faisceau multimode provenant de la fibre amplificatrice. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de recyclage comporte deux miroirs disposés chacun face à un des polariseurs du dispositif de recyclage. 12. Dispositif' selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la boucle comporte un circulateur- coupleur de sortie (28), une fibre optique multimode (29), et un dispositif de filtrage spatial (30). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage spatial comporte un dispositif de décalage en fréquence (30) reliant l'oscillateur maître ou les préamplificateurs à la fibre optique multimode de la boucle.