Lasers à fibre ultra-rapides à haute énergie

Le 09/03/2012 (11/07/03)

Gilles Martel  •  ico

Ammar Hideur  •  ico

Les sources laser à impulsions ultra-courtes (de durée <1 ps = 10-12 s, d’où leur nom de lasers femto-secondes) sont utilisées dans de nombreux domaines comme la chirurgie laser, la photo-inscription et le micro-usinage à froid ou encore la production de rayonnements ultraviolets cohérents, très recherchés en lithographie UV pour la production de composants micro-électroniques de dimension inférieure à cent nanomètres. Elles sont également d’une importance primordiale pour l’étude des processus moléculaires fondamentaux ultra-rapides intervenant dans les systèmes complexes (femto-chimie), l’analyse de la matière à l’échelle atomique, la détection d’aérosols dans l’atmosphère ou la télémétrie de haute précision. Par ailleurs, ces lasers suscitent de plus en plus d’intérêt pour l’étude des processus d’atomisation à très haute pression tels que ceux mis en jeu en injection automobile.

Les sources laser ultra-rapides actuelles sont encombrantes, coûteuses, délicates à manipuler et gourmandes en énergies. Par ailleurs, les systèmes laser basés sur des cristaux massifs – comme le saphir dopé au titane – sont limités en cadence et en puissance à cause des problèmes liés à la tenue en température des cristaux. La réalisation de lasers femto-secondes de hautes énergies, compacts et à faible coût est donc un enjeu majeur pour le développement de ces applications en environnement industriel. Le CORIA s’investit dans le développement de sources laser femto-secondes ne reposant plus sur des cristaux massifs mais sur des fibres de silice dopées avec des terres rares. L’avantage majeur de ces lasers vient de leur immunité aux effets thermo-optiques liée aux grandes surfaces d’échanges entre la lumière et le milieu amplificateur qu’est la fibre.

Cependant, le confinement de la lumière dans une fibre optique de quelques micromètres de diamètre sur de grandes longueurs constitue une difficulté majeure pour la génération d’impulsions ultra-courtes de hautes énergies. En effet, les interactions non-linéaires et dispersives qui se produisent dans une fibre lors de la phase d’amplification d’impulsions ultra-courtes induisent de fortes distorsions qui limitent fortement l’intensité maximale et la qualité des impulsions ainsi produites. Nos recherches se focalisent donc sur l’exploration de nouveaux régimes de propagation et l’utilisation de nouveaux matériaux pour s’affranchir de ces distorsions et ainsi produire des impulsions ultra-courtes énergétiques et de bonne qualité. Une première solution pour s’affranchir de ces distorsions consiste à travailler en régime d’amplification dit « auto-similaire » qui conduit à des impulsions à profil d’intensité parabolique. Lors de l’amplification « auto-similaire » la forme de l’impulsion demeure inchangée durant sa propagation, même lors de l’augmentation de son amplitude et de sa largeur. Ces impulsions paraboliques peuvent être comprimées efficacement en dessous de 100 femto-secondes sans pour autant introduire des distorsions supplémentaires.

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Figure 1 : Section transverse d’une fibre micro-structurée à large cœur dopée à l’ytterbium. Elle consiste en un cœur de 40 µm de diamètre entouré d’une zone micro-structurée air-silice d’indice plus faible (gaine interne). Cette dernière est entourée d’une zone d’air (gaine externe). La micro-structuration air-silice permet une meilleur maîtrise de la différence d’indice entre le cœur et la gaine permettant ainsi une extension des dimensions du cœur mono-mode jusqu’à 100 µm. Ceci permet une réduction significative des non-linéarités effectives de la fibre qui sont inversement proportionnelles à la section transverse du cœur.

La deuxième solution consiste à utiliser des fibres à cristaux photoniques à large cœur (Fig. 1) qui présentent des non-linéarités effectives plus réduites. Pour étudier les potentialités de ces nouvelles fibres pour générer des impulsions ultracourtes, un premier laser a été construit au CORIA dans le cadre du projet OFFEMET (Oscillateurs à Fibre Femto-secondes haute Energie pour la METrologie) soutenu par l’Agence Nationale pour la Recherche. Ce laser constitué d’une fibre, d’une longueur d’un mètre dont le cœur d’un diamètre de quarante microns est dopé à l’ytterbium (Fig. 1). Un miroir comportant un absorbant saturable est utilisé pour démarrer et stabiliser le train d’impulsions ultra-courtes (Fig. 2).

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Figure 2 : Evolution de la distribution temporelle de l’intensité émise par le laser après quelques centaines de tours dans la cavité. En partant d’une distribution aléatoire, l’énergie converge vers un profil localisé sur quelques pico-secondes. Un tour de cavité correspond à une dizaine de nanosecondes. Le régime impulsionnel s’établit donc en moins de 4 micro-secondes. (Le rouge correspond à la zone de plus forte intensité et le bleu à une intensité nulle)

Ce laser génère des impulsions de 5 pico-secondes avec plus de 3.3 W de puissance à la cadence de 46 MHz. Ces impulsions sont comprimées à moins de 500 femto-secondes. Un des points originaux de ce laser est qu’aucun élément de compensation de dispersion n’est utilisé dans la cavité. Ceci favorise la formation d’impulsions de fortes puissances très larges temporellement (plusieurs pico-secondes). Les simulations numériques montrent que ces impulsions suivent une dynamique très proche de celle du régime auto-similaire avec leur durée qui croît linéairement le long de la fibre avec l’augmentation de leur amplitude. Elles montrent également que la mise en forme de ces impulsions nécessite l’utilisation d’absorbants saturables de forts contrastes tels que ceux à base de semi-conducteurs. De plus, pour atteindre des énergies au-delà du micro-joule, le CORIA étudie d’autres types d’absorbants saturables notamment ceux à base de nano-tubes de carbone. Au-delà de la quête liée à la montée en énergie, un gros effort est également porté sur l’amélioration des performances en bruit et de la stabilité en polarisation de ces sources.

In fine, de telles sources à fibre, compactes et délivrant des impulsions énergétiques ultra-brèves ouvriront de nouvelles perspectives pour le diagnostic dans les milieux denses. En particulier, les hautes cadences accessibles par les sources actuellement développées par le CORIA permettent d’envisager l’extension du suivi temporel par imagerie à des mesures de vitesse ainsi que l’étude en temps réel des milieux denses tels que ceux rencontrés en injection automobile haute pression. Nous envisageons également l’utilisation de ces sources pour l’analyse de la matière par sonde atomique tomographique.

Références

B. Ortaç, A. Hideur, C. Chédot, M. Brunel, G. Martel & J. Limpert, Self-similar low-noise femtosecond ytterbium-doped double-clad fiber laser, Applied Physis B, 85, 63, 2006.

C. Lecaplain, C. Chédot, A. Hideur, B. Ortaç, & J. Limpert, High-power all-normal-dispersion femtosecond pulse generation from a Yb-doped large-mode-area microstructure fiber laser, Optics Letters, 32, 2738, 2007.

G. Martel, C. Chédot, V. Réglier, A. Hideur, B. Ortaç & P. Grelu, On the possibility of observing bound soliton pairs in a wave-breaking-free mode-locked fiber laser, Optics Letters, 32, 343, 2007.

B. Ortaç, C. Lecaplain, A. Hideur, T. Schreiber, J. Limpert & A. Tünnermann, Passively mode-locked single-polarization microstructure fiber laser, Optics Express, 16, 2122, 2008.

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