Qu'est-ce qu'un laser à fibre ?

Définition : Un laser qui utilise une fibre dopée comme milieu de gain, ou un laser dont le résonateur laser est principalement composé de fibre.

Les lasers à fibre font généralement référence aux lasers qui utilisent la fibre comme milieu de gain, bien que certains lasers qui utilisent des milieux de gain à semi-conducteurs (amplificateurs optiques à semi-conducteurs) et des résonateurs à fibre puissent également être appelés lasers à fibre (ou lasers optiques à semi-conducteurs). De plus, certains autres types de lasers (par exemple, les diodes semi-conductrices couplées à des fibres) et les amplificateurs à fibre sont également appelés lasers à fibre (ou systèmes laser à fibre).

Dans la plupart des cas, le milieu de gain est une fibre dopée aux ions de terres rares, telle que l'erbium (Er3+), l'ytterbium (Yb3+), le thorium (Tm3+) ou le praséodyme (Pr3+), et une ou plusieurs diodes laser couplées à des fibres sont nécessaires. pour le pompage. Bien que le milieu de gain des lasers à fibre soit similaire à celui des lasers en vrac à semi-conducteurs, l'effet de guide d'onde et la petite zone de mode efficace donnent des lasers aux propriétés différentes. Par exemple, ils ont généralement un gain laser élevé et des pertes élevées dans la cavité du résonateur. Voir les entrées laser à fibre et laser en vrac.

Figure 1

Résonateur laser à fibre

Pour obtenir un résonateur laser utilisant une fibre optique, un certain nombre de réflecteurs peuvent être utilisés pour former un résonateur linéaire, ou pour créer un laser en anneau à fibre. Différents types de réflecteurs peuvent être utilisés dans un résonateur laser optique linéaire :

Figure 2

1. Dans les configurations de laboratoire, des miroirs dichroïques ordinaires peuvent être utilisés aux extrémités des fibres clivées perpendiculairement, comme le montre la figure 1. Cependant, cette solution ne peut pas être utilisée dans une production à grande échelle et n'est pas durable.

2. La réflexion de Fresnel à l'extrémité d'une fibre nue est suffisante pour servir de coupleur de sortie pour un laser à fibre. La figure 2 montre un exemple.

3. Les revêtements diélectriques peuvent également être déposés directement sur les extrémités des fibres, généralement par évaporation. De tels revêtements peuvent atteindre une réflectivité élevée sur une large plage.

4. Dans les produits commerciaux, on utilise généralement des réseaux de Bragg à fibres, qui peuvent être préparés directement à partir de fibres dopées ou en épissant des fibres non dopées à des fibres actives. La figure 3 montre un laser à réflecteur de Bragg distribué (laser DBR), qui contient deux réseaux de fibres. Il existe également un laser à rétroaction distribuée avec un réseau dans la fibre dopée et un déphasage entre les deux.

5. Si la lumière émise par la fibre est collimatée par une lentille et réfléchie par un miroir dichroïque, une meilleure gestion de la puissance peut être obtenue. La lumière reçue par le miroir aura une intensité considérablement réduite en raison de la plus grande surface du faisceau. Cependant, de légers désalignements peuvent provoquer des pertes de réflexion importantes, et des réflexions de Fresnel supplémentaires au niveau des facettes d'extrémité de la fibre peuvent produire des effets de filtre. Ces dernières peuvent être supprimées en utilisant des extrémités de fibre clivées en angle, mais cela introduit des pertes dépendant de la longueur d'onde.

6. Il est également possible de former un réflecteur à boucle optique en utilisant un coupleur de fibre et des fibres passives.

La plupart des lasers optiques sont pompés par un ou plusieurs lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres. La lumière de pompe est couplée directement dans le cœur de la fibre ou à haute puissance dans la gaine de la pompe (voir fibres à double gaine), qui sera discutée en détail ci-dessous.

Il existe de nombreux types de lasers à fibre, dont quelques-uns sont décrits ci-dessous.

Il existe de nombreux types de lasers à fibre, dont quelques-uns sont décrits ci-dessous.

Lasers à fibre haute puissance

Initialement, les lasers à fibre ne pouvaient atteindre que des puissances de sortie de quelques milliwatts. Aujourd’hui, les lasers à fibre haute puissance peuvent atteindre des puissances de sortie de plusieurs centaines de watts, et parfois même plusieurs kilowatts à partir de fibres monomodes. Ceci est obtenu en augmentant le rapport hauteur/largeur et les effets de guide d'onde, qui évitent les effets thermo-optiques.

Voir l'entrée Lasers et amplificateurs à fibre haute puissance pour plus de détails.

Lasers à fibre à conversion ascendante

Les lasers à fibre sont particulièrement adaptés à la réalisation de lasers à conversion ascendante, qui fonctionnent généralement sur des transitions laser relativement peu fréquentes et nécessitent des intensités de pompage très élevées. Dans les lasers à fibre, des intensités de pompage élevées peuvent être maintenues sur de longues distances, de sorte que l'efficacité de gain obtenue soit facilement atteinte pour des transitions à très faible gain.

Dans la plupart des cas, les fibres de silice ne conviennent pas aux lasers à fibre de conversion ascendante, car le mécanisme de conversion ascendante nécessite une longue durée de vie à l'état intermédiaire dans le niveau d'énergie électronique, qui est généralement très faible dans les fibres de silice en raison de l'énergie élevée des phonons (voir transitions multiphotoniques). Par conséquent, certaines fibres de fluorure de métaux lourds sont généralement utilisées, telles que le ZBLAN (un fluorozirconate) à faible énergie de phonons.

Les lasers à fibre de conversion ascendante les plus couramment utilisés sont les fibres dopées au thorium pour la lumière bleue, les lasers dopés au praséodyme (parfois avec de l'ytterbium) pour la lumière rouge, orange, verte ou bleue et les lasers dopés à l'erbium pour la triode.

Lasers à fibre à largeur de raie étroite

Les lasers à fibre ne peuvent fonctionner que dans un seul mode longitudinal (voir laser monofréquence, fonctionnement monomode) avec une largeur de raie très étroite de quelques kilohertz voire inférieure à 1 kHz. Pour un fonctionnement monofréquence stable à long terme et sans exigences supplémentaires après avoir pris en compte la stabilité de la température, la cavité laser doit être courte (par exemple 5 cm), bien que plus la cavité soit longue, en principe, plus le bruit de phase est faible et plus le diamètre est étroit. largeur de ligne. L'extrémité de la fibre contient un réseau de Bragg à fibre à bande étroite (voir laser à réflecteur de Bragg distribué, laser à fibre DBR) pour sélectionner un mode de cavité. La puissance de sortie varie généralement de quelques milliwatts à des dizaines de milliwatts, et des lasers à fibre monofréquence avec des puissances de sortie allant jusqu'à 1 W sont également disponibles.

Une forme extrême est le laser à rétroaction distribuée (laser DFB), dans lequel la totalité de la cavité laser est contenue dans un réseau de Bragg à fibre avec un déphasage entre les deux. Ici, la cavité est relativement courte, ce qui sacrifie la puissance de sortie et la largeur de ligne, mais le fonctionnement monofréquence est très stable.

Les amplificateurs à fibre peuvent également être utilisés pour amplifier davantage à des puissances plus élevées.

Lasers à fibre à commutation Q

Les lasers à fibre peuvent générer des impulsions d'une durée allant de dizaines à des centaines de nanosecondes, à l'aide de divers commutateurs Q actifs ou passifs. Des énergies d'impulsion de quelques millijoules peuvent être atteintes avec des fibres à grande surface modale, et dans les cas extrêmes peuvent atteindre des dizaines de millijoules, limitées par l'énergie de saturation (même avec des fibres à grande surface modale) et le seuil de dommage (plus prononcé pour des impulsions plus courtes). Tous les dispositifs à fibre (à l'exception des optiques en espace libre) sont limités en énergie d'impulsion, car ils ne peuvent généralement pas mettre en œuvre des fibres à grande zone modale et une commutation Q efficace.

En raison du gain laser élevé, la commutation Q dans les lasers à fibre est de nature très différente de celle des lasers en vrac et est plus complexe. Il existe généralement plusieurs pics dans le domaine temporel, et il est également possible de produire des impulsions à commutation Q d'une longueur inférieure au temps d'aller-retour du résonateur.

Les lasers à fibre à mode verrouillé utilisent des résonateurs plus complexes (lasers à fibre ultracourte) pour produire des impulsions picosecondes ou femtosecondes. Ici, le résonateur laser contient un modulateur actif ou des absorbeurs saturés. Les absorbeurs saturés peuvent être réalisés par des effets de rotation de polarisation non linéaire ou en utilisant un miroir à boucle à fibre non linéaire. Des miroirs à boucle non linéaires peuvent être utilisés, par exemple, dans le « laser en forme de huit » de la figure 8, où le côté gauche contient un résonateur principal et un anneau de fibres non linéaires pour amplifier, façonner et stabiliser les impulsions ultracourtes aller-retour. En particulier dans le verrouillage en mode harmonique, des dispositifs supplémentaires sont nécessaires, tels que des sous-cavités utilisées comme filtres optiques.