Gestion des effets thermiques dans des fibres actives à très grande aire modale pour la montée en puissance des sources laser à 2μm

Thermal effects management in very large mode area fibers for power scaling in laser sources at 2µm

• Auteur / Autrice : Dia Darwich
• Direction : Philippe Roy, Raphaël Jamier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 27/11/2017
• 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 : Président / Présidente : Vincent Kermene
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roy, Raphaël Jamier, Eric Lallier, Laurent Lombard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Freysz, Hervé Gilles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers de puissance

Lasers à fibre

Contraintes thermiques

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibres microstructurées à très grandes aires modales

Effets thermiques

Laser à fibre dopée thulium

Fibre à grande aire modale polarisation unique

Very large mode area microstructured fibers

Thermal effects

Thulium-doped fiber laser

Single-polarization large mode area fiber

Résumé

Ce travail concerne le développement d’une fibre optique à structure originale permettant la montée en puissance moyenne et crête dans les systèmes lasers à 2μm. La gestion des effets thermiques est devenue aujourd’hui un enjeu primordial notamment pour essayer de repousser le seuil d’apparition des instabilités modales transverses. Le principe mis en avant ici est basé sur la rupture de symétrie de la gaine microstructurée de la fibre afin d’améliorer la délocalisation des modes d’ordre supérieur vers l’extérieur du milieu à gain. Ainsi une propagation quasi-monomode est obtenue dans une fibre apériodique passive avec un coeur de 140μm à 2μm. Un travail de modélisation a été mené de manière à proposer d’autres structures basées sur une modulation contrôlée de l’indice de réfraction dans le milieu à gain afin de repousser encore plus le seuil du régime multimode. En outre, la fabrication de la première fibre dopée thulium à large aire modale (Dcoeur = 18μm) par la méthode REPUSIL a montré une efficacité de 50%. Ensuite, la fabrication de la première fibre rigide complètement apériodique à gaine réduite dopée thulium a été réalisée. Une fibre avec un coeur de 29μm et un diamètre extérieur de 769μm et une longueur de 86cm a été caractérisée en configuration laser et a permis d’obtenir une émission laser à 2μm de 3,8W (puissance limitée par la puissance de la diode de pompe disponible) avec un rendement de 20% et une qualité de faisceau quasi-monomode. De plus, une fibre passive complètement apériodique à polarisation unique avec un coeur de 140μm a également été réalisée et a permis d’obtenir un ratio d’extinction de polarisation de 16,5dB à 2μm.

This work deals with the development of an original leaky structure of optical fiber aiming at generating a high power laser radiation at 2μm in CW and pulsed regimes. The management of thermal effects in high power/energy regime became a major issue, in particular to push further the transverse modal instabilities threshold. Our approach consists in breaking the symmetry of the microstructured fiber cladding for to improve the delocalization of the high order modes outside of the gain medium. Thus, an effective single-mode propagation at a 2μm operating wavelength was first demonstrated into a passive aperiodic fibers whose the core diameter reaches up to 140 μm. After implementing some Stress Applying Parts over our aperiodic design, a PER of 16.5dB was achieved at 2μm using a single polarization passive FA-LPF with a core of 140 μm. Thence, a numerical study on the tailoring the active core refractive index has been carried out so as to fend off the threshold of multimodedness. Additionally, the first LMA Tm-doped fiber (Dcoeur = 18μm) fabricated by the REPUSIL method and showing an efficiency of 50% is demonstrated. Thereafter, the fabrication of the first rod-type Tm-doped FA-LPF with reduced cladding is shown. A 29 μm core FA-LPF was characterized in laser configuration, leading to an effective single-mode emission of 3.8W of average power at 2μm strictly restricted by the available pump power and an efficiency of 20%.