Sources picosecondes et femtosecondes à base de fibre dopées Ytterbium et applications

Picoseconds and femtoseconds Ytterbium fiber laser sources and its applications

• Auteur / Autrice : Muhammad Ghawas
• Direction : Eric Freysz, Jérôme Degert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Jean Oberlé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Mussot, Philippe Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs paramétriques optiques

Gyroscopes optiques

Lasers de puissance

Impulsions picosecondes

Mots clés libres

Picoseconde

Haute-puissance

Auto-modelocké

Laser-fibre

OPO Fibre

Picosecond

High-power

Self-modelocked

Fiber-laser

Fiber-OPO

Résumé

Les recherches industrielles ou académiques autour laser délivrant des impulsions ultracourtes reposent de plus en plus sur la technologie des lasers à fibre. Elles s’appuient sur les avantages intrinsèques des systèmes à fibre, tels que leur stabilité, compacité, l'excellente qualité modale du faisceau délivré, leur robustesse et leur facilité d'utilisation. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l’étude détaillée d’un laser à fibre délivrant des impulsions picosecondes fonctionnant dans un régime de dispersion normale (ANDi). Ce laser a par la suite été déployé pour étudier de la génération paramétrique dans une fibre à cristal photonique. Nous avons tout d’abord développé une source laser à fibre de haute puissance délivrant des impulsions picosecondes dont on peut accorder à la fois la longueur d'onde centrale et la largeur spectrale. La source développée autour d’une cavité en anneau comprend la combinaison d’une fibre d'ytterbium à grande surface modale du type « rod-type », une fente et un réseau de diffraction en transmission. À la longueur d'onde centrale de ∼ 1030 nm et à un taux de répétition de 78 MHz, ce laser délivre des impulsions picosecondes avec une puissance moyenne allant jusqu'à 25 W. La durée des impulsions peut être ajustée en continu entre ∼ 1,8 ps et ∼ 4,5 ps alors que l'énergie des impulsions varie entre ∼ 320 nJ et ∼ 225 nJ. Nous avons également démontré que la longueur d'onde centrale des impulsions laser peut-être finement réglée entre ∼ 1010 nm à ∼ 1060 nm tout en s’assurant que l'énergie de l'impulsion est supérieure ∼ 150 nJ. Nous avons également développé un modèle numérique pour rendre compte de l'ensemble de nos données expérimentales. Nos simulations sont en bon accord avec nos résultats expérimentaux. Les impulsions délivrées par cette source ont été utilisées pour étudier et réaliser un oscillateur paramétrique optique dans une fibre optique. Les ondes signal et idler générées résultent d’un mélange paramétrique à quatre-onde induit dans une fibre à cristal photonique. Cet OPO à fibre est simplement résonnant pour l’onde signal. L'efficacité de conversion pour l’onde signal est proche de 20 %. Le profil de dispersion spectrale de la fibre à cristal photonique et l’accordabilité spectrale de notre laser de pompe nous ont permis de générer des ondes du signal (resp. idler) comprises respectivement entre ∼ 770 nm et ∼ 1000 nm ( ∼ 1130 nm et ∼ 1590nm) lorsque la longueur d'onde des impulsions pompe est ajustée entre ∼ 1024 nm et ∼ 1059 nm.

Ultrashort laser pulses in both industrial and research applications progressively rely on fiber laser technology, guided by its intrinsic benefits, for instance, stability, compact nature, excellent beam quality, robustness, and easy operation. In this work, a detailed study has been done to investigate picosecond fiber laser working in an all-normal-dispersion (ANDi) regime for the application of parametric generation in photonic crystal fiber. In summary, we have developed a high-power fiber laser source delivering picosecond pulses with tunability both in central wavelength and spectral width. It incorporates a combination of a large-mode-area rod-type ytterbium fiber, a slit, and a transmission grating inside the ring laser cavity configuration. At the central wavelength of ∼ 1030 nm and with a repetition of 78 MHz, this laser delivers picosecond pulses with an average power of up to 25 W. The pulse duration can be continuously adjusted from ∼ 1.8 ps to ∼ 4.5 ps and pulse energy from ∼ 320 nJ and ∼ 225 nJ, respectively. Additionally, we have also demonstrated that the central wavelength of the laser pulse can be finely tuned from ∼ 1010 nm to ∼ 1060 nm while keeping the pulse energy above ∼ 150 nJ. We have also proposed a numerical model to account for the ensemble of our experimental data and the simulations are in good agreement with the experimental data. The output of this fiber oscillator is propagated through the photonic crystal fiber for the parametric generation of the signal (higher frequencies than the pump) and idler (lower frequencies than the pump). The fiber OPO singly-resonant cavity was built in such a way that only signal wavelengths are allowed to propagate through it. The conversion efficiency for the signal was close to 20 % in the fiber OPO. Based on the dispersion profile of the photonic crystal fiber and our homebuilt tunable pump laser, the signal wavelength (resp. idler) was tuned from ∼ 770 nm to ∼ 1000 nm (∼ 1130 nm to ∼ 1590nm) for the corresponding pump wavelengths of ∼ 1024 nm to ∼ 1059 nm.