Propagation et contrôle adaptatif de la lumière amplifiée dans une fibre multimode

Adaptive control of amplified light through a multimode fiber

• Auteur / Autrice : Raphaël Florentin
• Direction : Vincent Kermene, Alain Barthélémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 06/11/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Kermene, Alain Barthélémy, Géraud Bouwmans, Frédéric Louradour, Patrick Sebbah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Monneret, Géraud Bouwmans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres multimodes

Lumière -- Propagation

Gain (électronique)

Amplificateurs de lumière

Mots clés libres

Amplificateur multimode fibré

Contrôle adaptatif

Multimode fiber amplifier

Adaptive control

Résumé

Les fibres multimodales ont longtemps été délaissées en raison des distorsions temporelles et spatiales subies par la lumière au cours de sa propagation dans la fibre. Ces distorsions sont les conséquences des couplages modaux et de la disparité des temps de propagation des modes de fibre. Bien que complexe, la propagation dans un guide multimodal reste déterministe et peut être maitrisée par une structuration cohérente de l’excitation. La manipulation d’ondes en présence de gain dans la fibre optique, au coeur de ces travaux de thèse, constitue une problématique plus complexe encore puisque la carte de saturation des modes hétérogène rend la propagation non linéaire. Deux types d’amplificateurs multimodaux à fibre dopée ytterbium ont été étudiés : une fibre à saut d’indice à large coeur et une fibre à coeurs multiples couplés. Le contrôle spatial du faisceau transmis est obtenu en structurant le front d’onde incident à l’aide d’un miroir déformable couplé à un algorithme itératif. En régime d’excitation continue, cette technique de contrôle adaptatif, robuste et rapide a permis de focaliser le rayonnement en extrémité de fibre sur des spots uniphases, malgré les couplages modaux, l’hétérogénéité de gain modal et la saturation du gain. Il a aussi été démontré que la mise en forme du front d’onde incident ne réduisait pas le gain d’amplification. Une puissance de 2,8 W a été confinée dans un unique spot avec un gain de12 dB. Des structures intensimétriques plus complexes de type « multispots » ont également été obtenues. Enfin, la focalisation à travers la fibre amplificatrice a été réalisée avec succès en régime femtoseconde pour lequel la propagation s’accompagne de couplages spatio-temporels. Une première démonstration de principe a permis d’obtenir 120 kW de puissance crête avec un gain de 14 dB dans une impulsion uniquement limitée par la dispersion chromatique (350 fs), le profilage spatial permettant aussi de contrôler l’impulsion amplifiée par la sélection de modes dont les vitesses de groupe sont proches.

For a long time, multimode fibers were sparsely investigated because of the spatial and temporal distortions occurring during propagation across the fiber. Those distortions are consequences of mode coupling and modal propagation constant disparity. Although the propagation in a multimode waveguide is complex, it is deterministic and can be controlled by spatial shaping of the excitation. Considering an amplifying medium, the problem, at the heart of this thesis, is more complex because of nonlinear propagation due to heterogeneous gain saturation. Two kinds of Ytterbium doped multimode fiber amplifiers were tested: a step index fiber with a large core diameter and a coupled core multicore fiber. Spatial control of the output of the amplifier was achieved using a deformable mirror in combination with an iterative algorithm. In the case of a continuous wave excitation of the amplifier, we demonstrated that it was possible to confine light in a single-phase spot with a 2,8 W average power and 12 dB gain. We also demonstrated that the spatial shaping of the output has no effect on the amplifier gain. Furthermore, we obtained more complex output fields of multi-spot structure. Finally, focalization through the amplifying fiber was successfully demonstrated in femtosecond regime for which spatio-temporal couplings occur. A 120 kW peak power spot with a gain of 14 dB in a 350 fs pulse was obtained in a first experimental proof of concept. The spatial shaping allows also to control the duration of the amplified pulse by selection of modes with close group velocities.