Étude et conception de sources laser fibrées monomodes en régime continu multi-kW

Study and creation of a continuous wave multi-kW fiber laser source

• Auteur / Autrice : Clara Abbouab
• Direction : Philippe Roy, Raphaël Jamier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l’information
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Vincent Kermene
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roy, Vincent Kermene, Mathieu Laroche, Emmanuel Hugonnot, Kilian Le Corre, Philippe Morin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Laroche, Emmanuel Hugonnot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs à fibres optiques

Lasers de puissance

Innovation

Lasers à fibre

Mots clés libres

Laser fibré de haute puissance

Sources MOPA

Effets non-Linéaires

Etude théorique

Génération de supercontinuum

High power fiber laser

MOPA sources

Nonlinear effects

Theoretical study

Supercontinuum generation

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration entre le laboratoire XLIM et la compagnie industrielle des laser « CILAS ». L'objectif principal de cette thèse est l'étude et la conception de sources laser fibrées émettant en régime continu des faisceaux monomodes de puissance multi-kW. L'architecture « MOPA » (composée d’une oscillateur maître et d’un amplificateur de puissance), a été sélectionnée à l'aide de la bibliographie pour atteindre ces objectifs, puis a été réalisée à XLIM. En améliorant cette architecture, la source fibrée a délivré une puissance continue de 2 kW à la longueur d'onde de 1080 nm, un record atteint pour la première fois en France à notre connaissance. Grâce à ces résultats, un outil de simulation a été calibré puis a été utilisé afin d'identifier les limitations théoriques de cette architecture. Les modélisations ont ensuite permis de donner des propositions d’amélioration de cette architecture en fonction de la longueur d’onde de pompe, de la longueur d’onde du signal, de l’utilisation d’une autre fibre amplificatrice et de la répartition de la puissance de pompage dans les deux sens de propagation. Les résultats de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus à partir d’une source MOPA construite plus récemment à XLIM, ayant dépassé la puissance signal de 3 kW. Finalement, une dernière architecture plus simple, appelée MOPA ''autosaturé'', est simulée puis est réalisée au laboratoire. En exploitant une cavité instable temporellement et en associant, à la source, un étage de conversion de fréquence non-linéaire, la génération d’un supercontinuum d’une puissance de 40,7 W sur une largueur spectrale allant de 750 nm à 2200 nm à -30 dB a été démontrée. En perspective de ces travaux de thèse, une nouvelle étude numérique a indiqué qu’une telle source pourrait elle aussi atteindre jusqu’à 3 kW de puissance signal.

This CIFRE thesis is a collaboration between the XLIM research laboratory and the industrial laser company ''CILAS''. The main objective of this work is to study and design high power fiber laser sources delivering a continuous wave single mode laser beam with an output power of several kW. To this end, the “MOPA” design (consisting a master oscillator stage and a power amplifier stage) was chosen from the literature and then has been built at XLIM. To the best of our knowledge, it is the first time in France that 2 kW of continuous wave output power has been achieved at the signal wavelength of 1080 nm. Thanks to the experimental results, a simulation tool was calibrated and used to carry out a theoretical study of the limits of this laser source. This tool has also been used to propose some improvements of this architecture by changing the pump wavelength, the signal wavelength, the doped fiber and the combination of the pump power between the two directions of propagation. The results of the simulations were compared with the experimental results obtained from a new source reaching more than 3 kW of continuous wave power. Finally, another less complex design, called OAIFL, was calibrated using the simulation and then built. A supercontinuum was generated by exploiting the temporally unstable laser cavity, delivering a power of 40.7 W over a spectrum going from 750 nm to 2200 nm at - 30 dB. As a perspective, the simulation showed that the OAIFL source could be further amplified to reach up to 3 kW. Therefore, this laser source could be further developed in the future.