26-224 performance study of repusil vlma er-doped fibers for high power laser

L'augmentation de la puissance laser est une problématique récurrente pour de nombreuses applications utilisant des sources laser à fibre optique, telles que les télécommunications en espace libre sol-espace [1,2] ou les lidars pour la mesure de vent ou de gaz [3]. Cependant cette augmentation se heurte à plusieurs obstacles dans les fibres dopées erbium émettant à 1.5 µm : d'une part les effets non-linéaires causés par le fort confinement du champ électrique dans le cœur, et d'autre part l'efficacité de conversion pompe-signal, qui détermine la puissance atteignable pour une puissance de pompe donnée (limitée elle-même par l'encombrement et le coût). Pour réduire l'impact de ces effets, une approche simple en principe consiste à augmenter fortement la surface du cœur. Cette approche permet aussi d'augmenter le recouvrement entre le cœur dopé et le faisceau de pompe, ce qui permet de réduire la longueur nécessaire pour absorber la pompe et contribue à améliorer l'efficacité de conversion entre pompe et signal.
Pour garantir la stabilité du pointé laser, l'émission d'un faisceau gaussien est généralement préférable, ce qui requiert un guidage quasi-monomode. Pour y parvenir, la fibre amplificatrice doit présenter d'une part un faible contraste d'indice par rapport à la gaine entourant le cœur, et d'autre part un profil d'indice régulier. A notre connaissance, les seuls fabricants de fibre ayant réussi à produire des fibres dopées erbium avec une aire de mode supérieure à 1000 µm2 se trouvent aux Etats-Unis (OFS et Advalue) [4,5], en Russie (FORC) [6], et en France au laboratoire Xlim [7]. Une telle surface de cœur représente une augmentation d'un facteur 2 par rapport aux plus grosses fibres à large aire modale (LMA) disponibles dans le commerce.
Par principe, une fibre à très large aire modale (VLMA) doit présenter une très faible ouverture numérique pour privilégier le guidage du mode transverse fondamental. Or la qualité spatiale du faisceau devient très sensible au profil d'indice du cœur, qui doit être aussi plat que possible. Cependant les procédés de dépôts par MCVD (phase vapeur ou liquide) ne permettent pas cette régularité sur un gros diamètre. En revanche, l'équipe de Limoges a récemment démontré que la méthode de synthèse par frittage de poudres (REPUSIL: Reactive Powder Sintering of Silica) permet de produire des fibres VLMA présentant à la fois une bonne efficacité électro-optique (>15%) et une bonne qualité spatiale (M2<1.4) [7]. Par comparaison, les autres acteurs connus de cette communauté rapportent des performances moins bonnes, notamment en efficacité de conversion électro-optique [4,5].
L'objectif principal de la thèse que nous proposons est d'illustrer l'intérêt du procédé REPUSIL pour la fabrication de fibres VLMA, notamment pour les applications lidar et télécom espace libre. Les échantillons étudiés seront des fibres déjà produites par Xlim. Il s'agit d'abord de comparer l'expérience et la simulation pour l'efficacité laser en régime continu à forte puissance de pompe (environ 100 W), en appliquant des outils numériques et expérimentaux pour lesquelles nous sommes reconnus [8,9]. Outre les mesures d'efficacité laser, il s'agira de mesurer l'ensemble des paramètres physiques qui interviennent dans les équations laser (sections efficaces, temps de vie radiatif, pertes, taux d'ions en clusters). La simulation permettra d'une part d'illustrer notre compréhension des performances, soit pour optimiser la fabrication de fibres avec les mêmes dimensions, soit pour prédire les dimensions optimales de nouvelles fibres en fonction des applications visées. Par ailleurs, nous analyserons la qualité spatiale du faisceau en fonction des conditions de pompage et de conditionnement. Enfin, si possible dans l'intervalle de la thèse, nous entamerons la mise en place d'une mesure lidar ou telecom, qui constitue l'objectif à plus long terme de notre collaboration avec le laboratoire Xlim.
[1] The H2020 VERTIGO project : a major milestone towards optical feeder links, 2023, 10.1117/12.2599229
[2] Ground to GEO Satellites Optical Feeder Links: status and challenges, 2024, 10.1364/LSC.2024.LsTh3C.3
[3] SBS mitigation by sinusoidal phase modulation of a 1572 nm all-fiber amplifier for lidar CO2 sensing, 2024, 10.1310.1364/AO.514650
[4] High Energy and High Power Single Frequency 1572 nm Laser With an All-Fiber MOPA, 2024, 10.1109/LPT.2024.3349919
[5] 10 Gbps Transmission from a High Power EDFA for Free Space Communications, 2024, 10.1109/SUM60964.2024.10614518
[6] High-Energy Single-Frequency Core-Pumped Er-Doped Fiber Amplifiers, 2023, 10.1109/JLT.2022.3206139
[7] 1.8 mJ pulses at 1560 nm based on a 55 µm core pure-erbium-doped VLMA fiber, 2024, 10.1364/OL.538256
[8] High efficiency holmium-doped triple-clad fiber laser at 2120 nm, 2022, 10.1109/JLT.2022.3196807
[9] On the Effect of Low Temperatures on the Maximum Output Power of a Coherent Erbium-Doped Fiber Amplifier, 2019, 10.1109/JLT.2019.2918357
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