Laser à fibre à 2 μm de forte puissance pour la génération de supercontinuum dans le moyen infrarouge dans les fibres en verre fluoré

Abstract

Le développement de sources optiques ayant une forte brillance et un large spectre est nécessaire pour différentes applications telles que les contremesures optroniques, les systèmes LIDAR et la spectroscopie. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la génération de supercontinuum de forte puissance dans le domaine spectral allant de 2 à 5 μm. Un laser à fibre dopé thulium, émettant à 2 μm, a été réalisé et caractérisé en régimes continu, déclenché et à verrouillage de modes déclenchés. En régime continu, une puissance de 45 W a été atteinte avec un rendement différentiel de 58%. L'intégration de deux embouts en quartz fondu, fusionnés aux extrémités de la fibre active, a permis une amélioration drastique du contrôle de la température et de la stabilité générale du système dans tous les régimes de fonctionnement précédemment mentionnés. En régime combiné, de verrouillage de modes déclenchés, la puissance moyenne maximale en sortie de laser était de 40 W à une fréquence de déclenchement de 150 kHz. Pour une puissance moyenne en sortie de 20 W et une fréquence de déclenchement de 50 kHz, l'impulsion verrouillée la plus énergétique avait une énergie de 88 μJ et une puissance crête estimée de 60 kW. Dans tous les régimes de fonctionnement mentionnés, le facteur de propagation du faisceau M2 était proche de la limite de diffraction avec une excellente valeur de 1,1. Le faisceau de ce laser fibré a été utilisé pour pomper des fibres optiques en fluorure pour la génération de supercontinuum dans le domaine spectral de 2 à 5 μm. Les travaux expérimentaux ont été focalisés sur les matériaux en fluorure que sont le ZBLAN et le fluorure d’indium (InF3). Avec la fibre en ZBLAN, plus de 10 W ont été générés sur l'ensemble du domaine spectral avec une limite supérieure de domaine spectrale allant jusqu'à 4,4 μm. L'efficacité de conversion du supercontinuum a été mesurée à 35%, 28%, 15% et 8% pour un faisceau généré de longueur d'onde supérieure à 2,15 μm, 2,65 μm, 3,1 μm et 3,5 μm, respectivement. Concernant la fibre en InF3, la réalisation d'un nouveau système d'injection (combinant une fibre ZBLAN large coeur et un coupleur commercial fibre à fibre) a permis d'atteindre une grande stabilité thermo-mécanique de la fibre pendant les expériences à haute puissance. La génération de supercontinuum dans cette fibre s'est concrétisée par un faisceau de sortie dont le spectre atteignait la longueur d'onde de 4,7 μm et une puissance de 7 W sur l'ensemble du domaine spectral. À notre connaissance, ceci est le premier faisceau supercontinuum, ayant une puissance de l'ordre de quelques watts, généré dans une fibre en InF3 pompée par un oscillateur unique.