Développement de sources laser à fibres en régime monofréquence, de très haute puissance et à très bas bruit d'intensité, émettant du proche infrarouge au visible

Abstract

Les sources laser monofréquences de forte puissance continue, à bas bruit d’intensité et de fréquence, sont des outils métrologiques à fort potentiel pour des applications allant de la détection d’ondes gravitationnelles à la simulation quantique. Depuis quelques décennies, la technologie fibrée a permis une rapide montée en puissance des systèmes lasers autour de 1 μm, de part son excellente capacité à dissiper la chaleur résultant de ses dimensions avantageuses. Toutefois, la montée en puissance dans les amplificateurs à fibres est limitée par les effets non-linéaires, tels que la diffusion Brillouin stimulée dans le cas des lasers monofréquences. De plus, la qualité du profil spatial en limite de diffraction peut être impacté par des effets de seuil, comme les instabilités modales ou les effets de dégradation modale. Il est possible de déterminer le seuil d’apparition de ces effets en mesurant le bruit d’intensité relatif de ces lasers, qui ont un bruit proche du bruit de grenaille de la lumière aux hautes fréquences de Fourier, lorsqu’ils ne sont pas dégradés par d'autres phénomènes physiques. Un contrôle de ces propriétés, ainsi qu’une gestion thermique appropriée ont permis la mise en œuvre d’un amplificateur fibré délivrant 365 W de puissance (350 W après isolation optique), à l'état de l'art actuel des systèmes monofréquences à bas bruit d'intensité et de très haute puissance continue. Une boucle de rétroaction agissant sur les diodes de pompes de cet amplificateur a réduit le bruit d'intensité du laser au niveau du bruit de grenaille de la lumière sur une plage de fréquences allant de 2 kHz à 10 kHz. Afin de satisfaire d'autres champs d'application, ces sources de forte puissance continue peuvent également être doublées en fréquence via des configurations en simple passage dans des cristaux à fort coefficient non-linéaire. Ce procédé rend accessible la génération de longueurs d’ondes non atteignables via des milieux laser dopés aux ions de terres rares. Ces cristaux possèdent cependant des limitations thermiques, principalement liées à l’absorption des longueurs d’ondes du spectre visible, réduisant la puissance générée. L'utilisation d'une nouvelle architecture a rendu possible la génération de 17 W à 532 nm, avec une efficacité de conversion de plus de 36 % dans un cristal de PPsLT. Le fort niveau de puissance, couplé à l’efficacité de conversion élevée en simple passage a permis une étude du transfert du bruit d’intensité de l’onde infrarouge vers l’onde de seconde harmonique issue du doublage. Enfin, l'optimisation du bruit de fréquence des sources de type diodes laser ou lasers à fibres a été envisagée, via l'utilisation des propriétés des cavités laser Brillouin en anneau. Ces cavités non-résonnantes permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeur le bruit de fréquence des sources laser et donc d’obtenir des lasers de puissance > 1W et dont les largeurs d'émission n’excèdent pas le kHz.