Développement de lasers à fibres thulium bi-fréquences à impulsions synchrones pour la réalisation de sources Térahertz

Development of synchronous pulsed dual-wavelength thulium fiber lasers for terahertz sources

• Auteur / Autrice : Mostafa Sabra
• Direction : Philippe Roy, Georges Humbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Alain Barthélémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roy, Georges Humbert, William Alain Guillaume Renard, Eric Lallier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bigot, Thierry Chartier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement terahertz

Lasers accordables

Thulium

Lasers à fibre

Mots clés libres

Laser à fibre dopée thulium

Laser accordable

Réseau de Bragg en volume

Laser bi-fréquences

Laser déclenché, modulateur acousto-optique

Thulium-doped fiber laser

Tunable laser

Volume Bragg grating

Dual-wavelength laser

Q-switched laser, acousto-optic modulator

Résumé

Dans le cadre d’un projet collaboratif entre le laboratoire XLIM (UMR 7252 du CNRS et de l'Université de Limoges) et le laboratoire de recherche IPHT situé à Jena en Allemagne, mon projet de thèse consiste à développer un laser à fibre dopée thulium bi-fréquences largement accordable à impulsions synchrones pour la réalisation d’une source Térahertz puissante et accordable. Basé sur l’utilisation de deux réseaux de Bragg en volume (VBGs) et d’une fibre dopée thulium à double gaine et à maintien de polarisation (diamètre de coeur = 20 μm) fabriquée par la méthode REPUSIL, un laser mono-fréquence et bi-fréquences largement accordable a été réalisé et étudié en régime continu. Une accordabilité de 1nm à 144 nm a été obtenue avec une puissance supérieure à 4,5 W et un bon contraste signal sur bruit (~45 dB) et une largeur spectrale inférieure à 0,1 nm. En régime déclenché, un modulateur acousto-optique (AOM) a été utilisée en espace libre dans la cavité laser afin de générer les impulsions. La fibre à double gaine a été remplacée par une fibre dopée thulium à large coeur (40 μm) appelée FA-LPF pour repousser le seuil d’apparition des effets non-linéaires et travailler avec une fibre courte pour diminuer la durée d’impulsion et augmenter la puissance crête des impulsions obtenues. Une source déclenchée bi-fréquences largement accordable (de 3,8 nm jusqu’à 120nm) a été développée avec une puissance crête supérieure à 8 kW et une durée d’impulsion autour de 26 ns obtenues indépendamment de la valeur de Δλ pour une fréquence de répétition de 1 kHz. Un contraste supérieur à 20 dB a été obtenu limité par les pics parasites générés par le FWM pour les valeurs de Δλ inférieures à 45 nm. La largeur spectrale des raies lasers mesurée à 3 dB du maximum a été inférieure à 0,3 nm.

As part of a collaborative project between the XLIM laboratory (UMR 7252 of the CNRS and the University of Limoges) and the IPHT research laboratory located in Jena, Germany, my thesis project consists in the development of a widely tunable dual-wavelength synchronous pulsed thulium doped fiber laser for the realization of an efficient and tunable terahertz source. Based on the use of two volume Bragg gratings (VBGs) and a double-clad, polarization-maintaining thulium doped fiber (core diameter = 20 μm) manufactured by the REPUSIL method, a widely tunable single-wavelength laser and dual-wavelength laser has been realized and studied in continuous regime. A tunability of 1 nm to 144 nm was obtained with a power more than 4.5 W and a good signal-to-noise contrast (~ 45 dB) and a spectral linewidth less than 0.1 nm. In pulse regime, an acousto-optic modulator (AOM) was used in free space in the laser cavity to generate the pulses. The double-clad fiber has been replaced by a large-core thulium doped fiber (40 μm) called FA-LPF to to fend off the threshold of non-linear effects and work with a short fiber to decrease the pulse duration and increase the peak power of the obtained pulses. A widely tunable (from 3.8 nm to 120 nm) Q-switched dual-wavelength synchronous-pulsed thulium-doped fiber laser was developed with a peak power more than 8 kW and a pulse duration around 26 ns obtained independently of the value of Δλ at 1 kHz of repetition rate. A contrast higher than 20 dB was obtained limited by the FWM peaks generated for Δλ values below 45 nm. The spectral linewidth of the laser measured at 3 dB of the maximum was less than 0.3 nm.