Lasers et amplificateurs à fibre haute puissance

Pour des puissances particulièrement élevées, la zone centrale doit être suffisamment grande, car l'intensité lumineuse sera très élevée, et une autre raison est que le rapport de la gaine à la zone centrale dans les fibres à double gaine est important, ce qui entraîne une faible absorption de la pompe. Lorsque la surface du coeur est de l'ordre de plusieurs milliers de micromètres carrés, il est envisageable d'utiliser un coeur de fibre monomode. En utilisant une fibre multimode, lorsque la zone de mode est relativement grande, un faisceau de sortie de bonne qualité peut être obtenu et l'onde lumineuse est principalement le mode fondamental. (L'excitation de modes d'ordre supérieur est également possible dans une certaine mesure en enroulant la fibre, sauf dans le cas d'un couplage de mode fort à des puissances élevées) Lorsque la zone de mode devient plus grande, la qualité du faisceau ne peut plus rester limitée par la diffraction, mais comparée Pour, par exemple, des lasers à barres fonctionnant à des intensités de puissance similaires, la qualité du faisceau résultant est encore assez bonne.

Il existe plusieurs options pour injecter une lumière de pompe à très haute puissance. Le moyen le plus simple consiste à pomper la gaine directement au niveau du port fibre. Cette méthode ne nécessite pas de composants de fibre spéciaux, mais la lumière de la pompe à haute puissance doit se propager dans l'air, en particulier l'interface air-verre, qui est très sensible à la poussière ou au désalignement. Dans de nombreux cas, il est préférable d'utiliser une diode de pompe couplée à la fibre, afin que la lumière de pompe soit toujours transmise dans la fibre. Une autre option consiste à alimenter la lumière de pompe dans une fibre passive (non dopée) et à enrouler la fibre passive autour de la fibre dopée de sorte que la lumière de pompe soit progressivement transférée dans la fibre dopée. Il existe plusieurs façons d'utiliser un dispositif spécial de combinaison de pompes pour fusionner certaines fibres de pompe et des fibres de signal dopées. Il existe d'autres méthodes basées sur des bobines de fibre à pompage latéral (lasers à disque à fibre) ou des rainures dans le revêtement de la pompe afin que la lumière de la pompe puisse être injectée. Cette dernière technique permet une injection multipoint de la lumière de pompage, répartissant ainsi mieux la charge thermique.

Figure 2 : Schéma d'une configuration d'amplificateur à fibre à double gaine haute puissance avec une lumière de pompe entrant dans le port de fibre à travers l'espace libre. L'interface gaz-verre doit être strictement alignée et propre.

La comparaison entre toutes les méthodes d'injection de lumière de pompe est compliquée car de nombreux aspects sont impliqués : efficacité de transfert, perte de luminosité, facilité de traitement, fonctionnement flexible, rétro-réflexions possibles, fuite de lumière du cœur de la fibre vers la source lumineuse de la pompe, Gardez le choix de polarisation etc.
Bien que le développement récent des dispositifs à fibre optique haute puissance ait été très rapide, il existe encore certaines limitations qui entravent le développement ultérieur :
L'intensité lumineuse des dispositifs à fibres optiques à haute puissance est nettement améliorée. Les seuils de dégâts matériels peuvent désormais généralement être atteints. Par conséquent, il est nécessaire d'augmenter la zone de mode (fibres à grande zone de mode), mais cette méthode présente des limites lorsqu'une qualité de faisceau élevée est requise.
La perte de puissance par unité de longueur a atteint l'ordre de 100W/m, entraînant de forts effets thermiques dans la fibre. L'utilisation du refroidissement par eau peut grandement améliorer la puissance. Les fibres plus longues avec des concentrations de dopage plus faibles sont plus faciles à refroidir, mais cela augmente les effets non linéaires.
Pour les fibres non strictement monomodes, il y a instabilité modale lorsque la puissance de sortie est supérieure à un certain seuil, typiquement quelques centaines de watts. Les instabilités de mode provoquent une chute brutale de la qualité du faisceau, qui est l'effet des réseaux thermiques dans la fibre (qui oscillent rapidement dans l'espace).
La non-linéarité des fibres affecte de nombreux aspects. Même dans une configuration CW, le gain Raman est si élevé (même en décibels) qu'une partie importante de la puissance est transférée à l'onde Stokes de longueur d'onde plus longue, qui ne peut pas être amplifiée. Le fonctionnement monofréquence est fortement limité par la diffusion Brillouin stimulée. Bien entendu, certaines méthodes de mesure peuvent compenser cet effet dans une certaine mesure. Les impulsions ultracourtes générées dans les lasers à verrouillage de mode, l'automodulation de phase, produiront sur eux un fort effet d'élargissement spectral. De plus, il existe d'autres problèmes d'injection de rotation de polarisation non linéaire.
En raison des limitations ci-dessus, les dispositifs à fibre optique haute puissance ne sont généralement pas strictement considérés comme des dispositifs d'alimentation évolutifs, du moins pas en dehors de la plage de puissance réalisable. (Les améliorations précédentes n'ont pas été obtenues avec une mise à l'échelle de puissance unique, mais avec des conceptions de fibre et des diodes de pompe améliorées.) Cela a des conséquences importantes lorsque l'on compare la technologie laser à fibre aux lasers à disque mince. Il est décrit plus en détail dans l'entrée Laser Power Calibration.
Même sans mise à l'échelle réelle de la puissance, beaucoup de travail peut être fait pour améliorer les configurations laser haute puissance. D'une part, il est nécessaire d'améliorer la conception de la fibre, par exemple en utilisant une grande zone de mode de fibre et un guidage monomode, ce qui est généralement obtenu en utilisant des fibres à cristal photonique. De nombreux composants de fibre sont très importants, tels que des coupleurs de pompe spéciaux, des cônes de fibre pour connecter des fibres avec différentes tailles de mode et des dispositifs de refroidissement de fibre spéciaux. Une fois que la limite de puissance d'une certaine fibre est atteinte, les faisceaux composites sont une autre option, et des configurations de fibre appropriées existent pour mettre en œuvre cette technique. Pour les systèmes d'amplification d'impulsions ultracourtes, il existe de nombreuses approches pour réduire ou même exploiter partiellement les effets non linéaires des fibres optiques, telles que l'élargissement du spectre et la compression d'impulsions ultérieure.