Laser à fibre à 2 µm : étude de la montée en puissance d'une architecture monolithique en oscillateur unique fonctionnant en régimes continu et impulsionnel

2-µm fiber laser : study of the power increase of a single-oscillator monolithic architecture in continuous-wave and pulsed operation

• Auteur / Autrice : Arnaud Motard
• Direction : Inka Manek-Hönninger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Randoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Inka Manek-Hönninger, Stéphane Randoux, Philippe Roy, Pierre Bourdon, Anne Dhollande, Jean-Christophe Delagnes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Roy, Pierre Bourdon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à fibre

Ondes

Thulium

Mots clés libres

Laser à fibre

Thulium

Holmium

2 µm

Continu

Impulsionnel

Fiber laser

Thulium

Holmium

2 µm

Continuous

Pulsed

Résumé

Les sources laser émettant autour d'une longueur d'onde de 2 µm sont, depuis une bonne dizaine d'années, au centre d'un intérêt grandissant, aussi bien d'un point de vue scientifique que d'un point de vue technologique. En effet, l'ion thulium constitue de manière très générale l'ingrédient de base de ces sources laser. La disponibilité pour cet ion de sources de pompe puissantes autour de 800 nm permet d'atteindre en sortie de source de très grandes puissances optiques à 2 µm de plusieurs kilowatts typiquement. Cela fait de ces sources d'émission cohérente un excellent laboratoire de physique fondamentale pour l'observation et l'étude d'effets non linéaires au sein même du laser. D'un point de vue plus applicatif, la longueur d'onde de 2 µm coïncide aussi avec l’une des bandes spectrales de transmission atmosphérique située entre 2 µm et 2,5 µm, ce qui permet d'accéder à des applications civiles ou militaires très variées, telles que les télécommunications en espace libre, la cartographie des vents, la détection de gaz, les lidars, l'arme laser ou encore les contre-mesures optroniques, pour ne citer que quelques exemples.Le champ d'applications militaires pour ces sources laser à 2 µm requiert des modes de fonctionnement aussi bien continu qu’impulsionnel, pour lesquels des puissances moyennes relativement importantes (plusieurs centaines de watts) au-delà 2 µm doivent être émises avec de très bonnes qualités de faisceau (dépôt sur une surface cible d'une puissance optique utile après de grandes distances de propagation). De plus, la nécessité d'embarquer ces sources laser sur des plateformes mobiles terrestres, aériennes ou navales ajoute des contraintes opérationnelles et architecturales de fiabilité, de volume, de poids et de consommation électrique. Ceci implique par conséquent de disposer de manière idéale de sources laser compactes, robustes et efficaces.L'étude d'une source laser émettant de façon continue et impulsionnelle de grandes puissances optiques au-delà de 2 µm, avec une très bonne qualité de faisceau, et présentant une architecture optique compacte et robuste constitue le cadre scientifique de cette thèse de doctorat. En particulier, afin de répondre aux contraintes opérationnelles liées à une utilisation militaire de cette source, l’étude s'est portée sur une architecture simple en oscillateur unique, entièrement fibrée, dont l’émission laser repose sur un co-dopage d'ions thulium (Tm3+) et holmium (Ho3+), peu étudié dans la littérature scientifique. Le dispositif expérimental présenté dans ce manuscrit, dont le fonctionnement et les limites physiques sont étudiés, permet de fonctionner à la fois en régimes continu et impulsionnel, de manière stable et puissante. En particulier, nous verrons que le choix d'une architecture "tout fibre" amène à une dégradation de qualité de faisceau dont l'origine physique se situe au niveau des propriétés structurelles de la fibre co-dopée. Cette problématique nécessitera la mise en place au cours de cette thèse d'une nouvelle méthode d'analyse des soudures entre les fibres optiques. Nous étudierons également dans ce manuscrit le cas particulier du co-dopage Tm3+, Ho3+ de la fibre active du laser. Son apport en termes de longueur d'onde d'émission et d'efficacité laser par rapport à un dopage simple au thulium, couramment étudié dans la littérature, sera notamment analysé. Enfin, nous étudierons les effets et les limites physiques liés à la montée en puissance de notre source laser pour des fonctionnements en régimes continu et impulsionnel.

Laser sources emitting around a 2-µm wavelength have been the center of a growing interest, both from a scientific and a technological point of view since the last decade. Indeed, since these laser sources are generally based on the thulium ion, the powerful pump sources around 800 nm available for this ion allow to reach very high optical powers at 2 µm (several kilowatts typically). This makes these coherent emission sources an excellent fundamental physics tool for observing and studying the nonlinear effects within the laser. From a more applicative point of view, the 2 µm wavelength also coincides with one of the atmospheric transmission spectral bands located between 2 µm and 2.5 µm. A wide range of civil or military applications can thus be covered, such as free space telecommunications, wind mapping, gas detection, lidar, laser weapon or optronic countermeasures.The field of military applications for these 2 µm laser sources requires both continuous-wave and pulsed modes of operation, for which relatively high average powers (several hundred watts) beyond 2 µm must be emitted with very good beam qualities (deposition on a target surface of useful optical power after long propagation distances). Moreover, the need to embark these laser sources on mobile airborne, seaborne or ground platforms imposes operational and architectural constraints of reliability, volume, weight and power consumption. Therefore, compact, robust and efficient laser sources are ideally required.The study of a laser source emitting high optical powers beyond 2 µm with a very good beam quality in continuous-wave and pulsed regime, and with a compact and robust optical architecture constitutes the scientific framework of this PhD thesis. In particular, in order to meet the operational constraints related to military use of this source, the study focused on a simple single-oscillator all fibered architecture, based on thulium (Tm3+) and holmium (Ho3+) ions co-doping, which is rarely studied in the scientific literature. The experimental system presented in this manuscript can operate in both continuous-wave and pulsed modes, in a stable and powerful way. Its operation and physical limits will be studied. In particular, the choice of an "all-fiber" architecture leads to a degradation of the beam quality due to the structural properties of the co-doped fiber. This problem will involve the development of a new method to analyze splices between optical fibers during this thesis. The particular case of the Tm3+, Ho3+ co-doping of the active laser fiber will also be studied in this manuscript. Its impact on both emission wavelength and laser efficiency compared to the simple thulium doping commonly studied in the literature will be analyzed. Finally, we will study the effects and physical limits related to the power increase of the laser source in continuous-wave and pulsed operation.