Développement de sources laser à fibres en régime monofréquence, de très haute puissance et à très bas bruit d'intensité, émettant du proche infrarouge au visible

Development of high power and low intensity noise single frequency laser sources, emitting from infrared to visible

• Auteur / Autrice : Clément Dixneuf
• Direction : Giorgio Santarelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 28/09/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Canioni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgio Santarelli, Lionel Canioni, François Bondu, Patrick Georges, Nicholas Traynor, Mathieu Laroche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Bondu, Patrick Georges

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit d'intensité (lasers)

Lasers de puissance

Mots clés libres

Haute puissance

Monofréquence

Bas bruit

High power

Single frequency

Low noise

Résumé

Les sources laser monofréquences de forte puissance continue, à bas bruit d’intensité et de fréquence, sont des outils métrologiques à fort potentiel pour des applications allant de la détection d’ondes gravitationnelles à la simulation quantique. Depuis quelques décennies, la technologie fibrée a permis une rapide montée en puissance des systèmes lasers autour de 1 μm, de part son excellente capacité à dissiper la chaleur résultant de ses dimensions avantageuses. Toutefois, la montée en puissance dans les amplificateurs à fibres est limitée par les effets non-linéaires, tels que la diffusion Brillouin stimulée dans le cas des lasers monofréquences. De plus, la qualité du profil spatial en limite de diffraction peut être impacté par des effets de seuil, comme les instabilités modales ou les effets de dégradation modale. Il est possible de déterminer le seuil d’apparition de ces effets en mesurant le bruit d’intensité relatif de ces lasers, qui ont un bruit proche du bruit de grenaille de la lumière aux hautes fréquences de Fourier, lorsqu’ils ne sont pas dégradés par d'autres phénomènes physiques. Un contrôle de ces propriétés, ainsi qu’une gestion thermique appropriée ont permis la mise en œuvre d’un amplificateur fibré délivrant 365 W de puissance (350 W après isolation optique), à l'état de l'art actuel des systèmes monofréquences à bas bruit d'intensité et de très haute puissance continue. Une boucle de rétroaction agissant sur les diodes de pompes de cet amplificateur a réduit le bruit d'intensité du laser au niveau du bruit de grenaille de la lumière sur une plage de fréquences allant de 2 kHz à 10 kHz. Afin de satisfaire d'autres champs d'application, ces sources de forte puissance continue peuvent également être doublées en fréquence via des configurations en simple passage dans des cristaux à fort coefficient non-linéaire. Ce procédé rend accessible la génération de longueurs d’ondes non atteignables via des milieux laser dopés aux ions de terres rares. Ces cristaux possèdent cependant des limitations thermiques, principalement liées à l’absorption des longueurs d’ondes du spectre visible, réduisant la puissance générée. L'utilisation d'une nouvelle architecture a rendu possible la génération de 17 W à 532 nm, avec une efficacité de conversion de plus de 36 % dans un cristal de PPsLT. Le fort niveau de puissance, couplé à l’efficacité de conversion élevée en simple passage a permis une étude du transfert du bruit d’intensité de l’onde infrarouge vers l’onde de seconde harmonique issue du doublage. Enfin, l'optimisation du bruit de fréquence des sources de type diodes laser ou lasers à fibres a été envisagée, via l'utilisation des propriétés des cavités laser Brillouin en anneau. Ces cavités non-résonnantes permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeur le bruit de fréquence des sources laser et donc d’obtenir des lasers de puissance > 1W et dont les largeurs d'émission n’excèdent pas le kHz.

High continuous power single-frequency laser sources, with low intensity and frequency noise are metrological tools with great potential for applications ranging from gravitational wave detection to quantum simulation. For the past few decades, fiber technology has enabled a rapid ramp-up of laser systems around 1 μm, due to its excellent heat dissipation capability, resulting from its advantageous dimensions. However, power scaling of fiber amplifiers is limited by nonlinear effects, such as stimulated Brillouin scattering in the case of single-frequency lasers. Moreover, the quality of the diffraction limited spatial profil can be affected by threshold effects, such as modal instabilities or modal degradation effects. The threshold of these effects can be determined by measuring the relative intensity noise of these lasers, which have a noise close to the shot noise of light at high Fourier frequencies, when they are not degraded by other physical phenomenons. A control of these properties, as well as an appropriate thermal management, allowed the implementation of a fiber amplifier delivering 365 W of power (350 W after optical isolation), at the current state of the art of single frequency systems with low intensity noise and very high continuous power. A feedback loop acting on the pump diodes of this amplifier reduced the intensity noise of the laser to shot noise of light over a frequency range from 2 kHz to 10 kHz. In order to satisfy other application fields, these high power laser sources can also be frequency doubled, using single pass sonversion in crystals with high nonlinear coefficients. This process makes accessible the generation of wavelengths not achievable via rare earth ion doped laser media. However, these crystals have thermal limitations, mainly related to the absorption of the visible spectrum wavelengths, reducing the generated power. The use of a new architecture has made it possible to generate 17 W at 532 nm, with a conversion efficiency of more than 36 % in a PPsLT crystal. The high power level, coupled with the high single pass conversion efficiency allowed a study of the intensity noise transfer from the infrared wave to the second harmonic wave. Finally, the optimization of the frequency noise of laser diodes or fiber lasers has been considered, using the properties of Brillouin fiber ring lasers. These non-resonant cavities allow to reduce by several orders of magnitude the frequency noise of laser sources and thus to obtain lasers of power > 1W and whose emission widths do not exceed the kHz.