Fibres microstructurées pour la mise en forme spatiale : fibres délivrant un mode fondamental aplati

Microstructured fibers for spatial beam shaping : fibers delivering a flat fundamental mode

• Auteur / Autrice : Pierre Gouriou
• Direction : Géraud Bouwmans, Emmanuel Hugonnot, Constance Valentin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM) - Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine (Le Barp, France)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Biréfringence

Fibres monomodes

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibre à grande aire effective

Fibre microstructurée

Mode plat

Résumé

La mise en forme spatiale de faisceau laser, en particulier l’obtention d’un profil d’intensité homogène intéresse aussi bien la recherche que l’industrie (recherche biomédicale, microscopie, découpe, gravure, marquage laser, Laser MegaJoule…). De par ses avantages intrinsèques, nous sommes désireux d’apporter une solution fibrée, monomode et à maintien de polarisation. Ces travaux s’articulent autour de 2 problématiques :L’obtention d’un mode plat polarisé linéairement.Différentes solutions ont été mises en place pour satisfaire cette contrainte (embouts, fibres air-silice et fibres toute solide incluant des barreaux de contraintes). Nous avons notamment réalisé une fibre microstructurée air-silice monomode délivrant un mode plat de diamètre 20µm à 1050nm de polarisation linéaire (taux d’extinction de 20dB, biréfringence ~0,6x10-4). Cette fibre a été intégrée avec succès dans une chaine amplificatrice délivrant un faisceau cohérent avec un profil d’intensité aplati polarisé linéairement dépassant 100µJ en régime nanoseconde. En parallèle le développement de codes numériques a permis de proposer des designs augmentant la biréfringence voire polarisants.L’augmentation de l’aire effective du mode.Nos études ont permis de mettre en évidence les compromis entre qualité modale et pertes par courbures y compris dans le cas de structure présentant des résonateurs pour « vider » les modes d’ordre supérieur. L’impact sur le contenu modal des indices de différents types de barreaux de contraintes et de la biréfringence induite a également été étudié. Enfin nous avons réalisé une fibre mode plat à 1050nm de diamètre 34µm (aire effective ~1200µm2) utilisable en tant qu’embout.

Spatial beam shaping, in particular an homogeneous intensity profile is very attractive to fundamental research and industry (biomedical, microscopy, laser cutting, engraving, marking, Laser MegaJoule…). Thanks to its intrinsic advantages we wish to offer a fibered, single-mode and polarization maintaining solution. This work addresses two difficulties:Producing singlemode fiber delivering a flat mode while preserving the light polarization.Several solutions were developed to achieve this objective: fiber end-cap, air-silica and all-solid microstructured fibers with Stress Applying Parts (SAP). We have obtained several fibers including an air-silica microstructured single-mode fiber which delivers a flat fundamental mode with a diameter of 20µm at 1050nm linearly polarized (polarization extinction ratio of 20dB and a birefringence of 0.6x10 4). This fiber was successfully integrated in an amplifier chain delivering a coherent output beam with a flat intensity profile linearly polarized with a power of more than 100µJ for 10 ns pulses. In the same time, we developed a numerical code enabling us to propose designs with enhanced birefringence and even a polarizing behavior.Increase of mode effective areaOur studies exhibit the compromises required between modal quality and bending losses even in the case of a fiber design with resonator to extract from the core its high order modes. The impact of indices of different kinds of SAP and the impact of the induced birefringence on the modal content are also studied. Finally we realized a fiber delivering a flat intensity with a mode diameter equals to 34µm (effective area ~1200µm²) at 1050nm which can be used like an end-cap.