High power 2 μm fiber laser for mid-infrared supercontinuum generation in fluoride fibers

par Giuseppe Scurria

Thèse de doctorat en Lasers, Matière et Nanosciences

Soutenue le 06-12-2019

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Short lasers: applications & materials (équipe de recherche) et de Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux) (laboratoire) .

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    High brightness and broad spectrum optical sources in the mid-infrared (mid-IR) are promising for different applications such as optronic countermeasures, LIDAR systems and spectroscopy. This thesis research work is dedicated to the investigation of high power supercontinuum generation in the 2-5 μm range. A thulium-doped fiber laser emitting at 2 μm has been built and characterized in continuous wave, Q-switching and Q-switched mode-locking regime. In continuous wave operation, as much as 45 W have been reached with a slope efficiency of 58%. The implementation of two fused-quartz end-caps fusion spliced at the extremities of the active-fiber improved the thermal management and the overall stability of the entire system in all mentioned regimes of operation, allowing for higher pump powers. In Q-switched mode-locking, the maximum average output power level was 40 W, for a Q-switch repetition rate of 150 kHz. At the average output power level of 20 W and 50 kHz of Q-switch repetition rate, the most energetic mode-locked pulse had an energy of 88 μJ and an estimated peak power of ~60 kW. In all the mentioned operation regimes, the measured beam parameter M2 of the fiber laser was 1.1, close to the diffraction limit. This laser has been used to pump fluoride optical fibers (ZBLAN and InF3) for supercontinuum generation in the 2-5 μm range. In ZBLAN, more than 10 W in all spectral bands have been obtained, with an output spectrum extending up to 4.4 μm. A conversion efficiency of 35%/28%/15%/8% has been measured for wavelengths longer than 2.15 μm/2.65 μm/3.1 μm/3.5 μm, respectively. For the InF3 fiber, a new design of an injection system, consisting of a large core diameter ZBLAN optical fiber and a commercial fiber-to-fiber coupler, allowed to enhance the thermo-mechanical stability of the fiber. The supercontinuum radiation generated in InF3 showed an output spectrum spanning up to around 4.7 μm with an output power level of 7 W in all spectral bands. To the best of our knowledge, this was the first Watt-level supercontinuum radiation in an InF3 fiber pumped by a singleoscillator.


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