Évaluation du potentiel des fibres apériodiques à très large aire modale pour la réalisation de sources laser impulsionnelles

Assessment of the potential of fully aperiodic large-pitch fibers for pulsed laser sources

• Auteur / Autrice : Marie-Alicia Malleville
• Direction : Philippe Roy, Raphaël Jamier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 16/01/2020
• 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 : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roy, Raphaël Jamier, Thibaut Sylvestre, Ammar Hideur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Besnard, Mathieu Laroche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Innovation

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibre micro-structurée

Fibre à large aire modale

Instabilités modales

Laser

Microstructured fiber

Large mode area fiber

Mode instabilities

Laser

Résumé

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans une collaboration long-terme entre le laboratoire Xlim et l’entreprise EOLITE Systems dans le but de développer de nouvelles fibres optiques à très grande aire modale typiquement capables de délivrer une puissance moyenne supérieure à 200 W et une puissance crête de l’ordre de 1 MW avec une émission monomode transverse à 1030 nm. Pour cela, des fibres optiques à microstructuration apériodique (FA-LPF) ont été développées en vue d’améliorer les performances des fibres commerciales, en repoussant en particulier le seuil des instabilités modales transverses. Une étude expérimentale sans précédents a été menée pour mettre en évidence l’influence de la structure de la fibre, de l’architecture de la source et du diamètre de champ modal sur le seuil d’apparition du phénomène. Par ailleurs, la fibre commerciale a été remplacée par une FA-LPF dans un prototype laser industriel, et a donné lieu à une validation de principe, tant du point de vue des performances pures que du vieillissement. La faisabilité d’une fibre micro-structurée courte et efficace (de 50 cm de long), a également été étudiée, en passant par une augmentation de la concentration en ions ytterbium dans le coeur de la FA-LPF ou encore par l’amélioration du ratio coeur/gaine. Finalement, un concept de fibre à coeur enterré a permis d’atteindre des dimensions de coeur supérieures à 110 μm tout en maintenant une émission monomode transverse.

These Ph.D work is conducted in the context of a long-term collaboration between Xlim laboratory and the company EOLITE Systems in order to develop new large mode area fibers typically capable of providing up to 200 W of average output power and a peak power of 1 MW while maintaining a transverse single-mode emission at 1030 nm. For that purpose, optical fibers with an aperiodic microstructuration (FA-LPF) were developed in order to improve the performances of commercial fibers, mainly by pushing further the transverse mode instabilities power threshold. An unprecedented experimental study has been conducted to investigate the influence of the fiber structure, the laser source architecture and the mode field diameter. Furthermore, by replacing the commercial fiber by a FA-LPF in an industrial laser prototype, as a proof-of-concept, the FA-LPF permits to obtain a laser source with at least similar properties as those of the laser sources of the company regarding the laser efficiency or the lifetime test. The feasibility of a microstructured fiber shorter and still efficient (50 cm-long), has also been studied, by increasing the ytterbium ions concentration in the FA-LPF core or by improving the core to clad ratio. Finally, a new concept of fiber with a depressed-index core led to core diameters higher than 110 μm while maintaining a transverse single-mode emission.