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Développement de sources lasers impulsionnelles à fibres dopées néodyme large coeur pour une émission dans l'UV
Kilian Le Corre
Wed, Sep. 14th 2022, 00:00
CIMAP (Caen), Ganil Caen

Manuscrit de la thèse


Résumé :

Les sources lasers impulsionnelles de forte puissance sont devenues indispensables pour des applications allant de l’usinage au traitement dermatologique. La technologie fibrée a marqué une réelle rupture dans l’évolution des systèmes laser, autorisant une rapide montée en puissance. Cependant, ces systèmes fibrés basés sur un dopage ytterbium sont limités à une émission laser à une longueur d’onde proche de 1 µm, fermant ainsi l’accès à des longueurs d’ondes dans le bleu et l’UV profond après conversion de fréquence non linéaire.

Dans ce contexte, les fibres dopées néodyme émettant autour de 910 nm (grâce à la transition 4F3/2-4I9/2) présentent un fort potentiel pour générer de nouvelles longueurs d’ondes tout en bénéficiant des avantages de la technologie fibrée désormais bien maitrisée. Toutefois, cette transition de l’ion néodyme est en compétition avec la transition émettant à 1060 nm (4F3/2-4I11/2) réduisant fortement l’efficacité à la longueur d’onde souhaitée. De plus, la présence d’effets non linéaires dans les fibres optiques peut aboutir à une dégradation des caractéristiques spectrales et temporelles de l’émission laser. Le développement de fibres dopées néodyme à large aire modale et une géométrie optimisée (faible rapport diamètre de gaine/diamètre de cœur) a permis, d’une part, de réduire le confinement de la lumière afin de repousser les effets non linéaires délétères et, d’autre part, de favoriser l’amplification autour de 910 nm.

L’intégration de ces fibres dans des amplificateurs de puissance a mené au développement de deux sources lasers impulsionnelles à 905 nm (régime déclenché nanoseconde) et 915 nm (régime MOPA sub-nanoseconde) avec des puissances crêtes de 10 kW et 26 kW respectivement. Pour adresser des domaines d’applications comme le LIDAR (Light Detection And Ranging) sous-marin ou la photo-inscription de verre, ces deux sources laser sont utilisées pour générer en simple passage dans deux cristaux non linéaires successifs une émission laser doublée en fréquence, respectivement à 452,5 nm et à 457,5 nm, puis quadruplée en fréquence, respectivement à 226 nm et à 229 nm. Dans la meilleure configuration (MOPA en régime sub-nanoseconde), une puissance laser de 1,2 W à 229 nm a notamment été obtenue.

Enfin, une source laser compacte basée sur le verrouillage de modes passif et accordable entre 905 et 912 nm a été démontrée. Les impulsions picosecondes ont été amplifiées dans une fibre double-gaine dopée Nd à cœur monomode jusqu’à 350 mW. La compression temporelle par réseaux de diffraction a ensuite permis d’obtenir une durée d’impulsion inférieure à 300 fs.

Mots-clés : Conversion de fréquence, Laser impulsionnel.

 


Pulsed laser sources based on Neodymium doped large mode area fibers for UV emission

Abstract:

High power pulsed laser sources have become indispensable for applications ranging from machining to dermatological treatment. Fiber technology has marked a real breakthrough in the evolution of laser systems, allowing a rapid increase in power. However, these fiber systems based on ytterbium doping are limited to a laser emission at a wavelength close to 1 µm, thus closing the access to blue and deep UV wavelengths after nonlinear frequency conversion.

In this context, neodymium-doped fibers emitting around 910 nm (thanks to the 4F3/2-4I9/2 transition) have a strong potential to generate new wavelengths while benefiting from the advantages of the now well mastered fiber technology. However, this neodymium ion transition is in competition with the transition emitting at 1060 nm (4F3/2-4I11/2), which is strongly reducing the efficiency at the desired wavelength. In addition, the presence of non-linear effects in optical fibers can lead to a degradation of the spectral and temporal characteristics of the laser emission. The development of neodymium doped fibers with a large modal area and an optimized geometry (small cladding diameter/core diameter ratio) has allowed, on the one hand, to reduce the confinement of the light in order to push back the deleterious non-linear effects and, on the other hand, to favor the amplification around 910 nm.

The integration of these fibers in power amplifiers has led to the development of two pulsed laser sources at 905 nm (nanosecond triggered regime) and 915 nm (sub-nanosecond MOPA regime) with peak powers of 10 kW and 26 kW respectively. To address application fields such as underwater LIDAR (Light Detection And Ranging) or glass photo-inscription, these two laser sources are used to generate in a single pass in two successive non-linear crystals a frequency-doubled laser emission, respectively at 452.5 nm and at 457.5 nm, then quadrupled in frequency, respectively at 226 nm and at 229 nm. In the best configuration (MOPA in sub-nanosecond regime), a laser power of 1.2 W at 229 nm has been obtained.

Finally, a compact laser source based on passive mode-locking and tunable between 905 and 912 nm has been demonstrated. Picosecond pulses were amplified in a double-clad Nd-doped fiber with a single-mode core up to 350 mW. Time compression by diffraction gratings was then used to obtain a pulse duration of less than 300 fs.

Keywords: Neodymium, Laser, Ultraviolet, Optical fiber, Frequency, Conversion, Pulsed laser.

Contact : Mathieu LAROCHE

 

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