Laser à fibres Tm : Ho de haute puissance à femtoseconde à 2050 nm

Femtosecond high power Tm : Ho fiber laser at 2050 nm

• Auteur / Autrice : Adrian Grande
• Direction : Eric Cormier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 15/02/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Marwan Abdou Ahmed
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique. Jubera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Roy, Clara Saraceno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Solitons

Lasers à fibre

Thulium

Optique non linéaire

Mots clés libres

Laser à fibre

Amplification d’impulsions à la dérive de fréquence

Optique non linéaire

Auto-décalage solitonic

Thulium-holmium fibers

Fiber laser

Chirped pulse amplification

Non-linear optics

Soliton selffrequency shift

Thulium-holmium fibers

Résumé

La technique d’amplification à dérive de fréquence "chirped pulse amplification" (CPA)a été développée pour augmenter la puissance des impulsions issues d’oscillateurs à verrouillage de mode, car l’énergie des impulsions n’étaient pas suffisantes pour des applications telles que la physique des champs forts et l’accélération de particules. Depuis son développement en 1985, elle a été utilisée dans une grande variété de systèmes laser industriels et dans des installations laser à ultra-haute puissance. Cette technique permet d’une part de s’affranchir de l’accumulation de phase non linéaire qui entrave la compression d’impulsions et d’autre part de maintenir la fluence des impulsions en dessous des seuils de dommages induits par laser aux composants. Dans cette thèse, nous développons des systèmes laser CPA à la longueurs d’onde de 2.05μm avec une puissance moyenne élevée et une énergie élevée, en commençant par le développement du laser à 2050nm jusqu’à la conception et la mise en oeuvre de l’étireur, des amplificateurs et du compresseur d’impulsions.Dans la première section de la thèse, nous introduisons les principaux concepts de physique et les phénomènes nécessaires à la compréhension de la technique d’amplification par dérive de fréquence et au développement du laser à fibre à 2050nm. Cela inclut la dispersion, l'automodulation de phase et la diffusion Raman.Dans la deuxième section de la thèse, nous présentons le développement d’un laser entièrement fibré à maintien de polarisation et accordable sur plus de 170nm, de 1880nmà 2050nm, via le phénomene de décalage de fréquence solitonique (Raman soliton selffrequencyshift, SSFS). Notre systéme est basé exclusivement sur des fibres disponibles commercialement. Nous avons caractérisé le laser en termes de puissance, de spectre et de durée d’impulsion, et nous avons inclus une étape de post-compression qui repose sur des effets non linéaires pour atteindre une durée inférieure à 100 fs sur toute la plage d' accordabilité. Les simulations sur la post-compression de solitons montrent la polyvalence du laser, qui permet de personnaliser la durée de l’impulsion sur une plage spectrale donnée, ou alternativement à une longueur d’onde particulière.Dans la troisième section, nous avons testé le laser accordable dans une grande variété d’architectures d’étirement et de compression adaptées au CPA. Nous avons examiné les fibres et les réseaux de Bragg en volume étiré (CVBG) en tant que dispositifs d’étirement d’impulsions, ainsi que les paires de réseaux de diffraction et les CVBG en tant que compresseurs d’impulsions. Nous discutons la manière de dimensionner une paire d’étireur compresseuren tenant compte de la phase non linéaire et de l’effet de rétrécissement du gain qui se produit pendant l’amplification d’impulsions, ainsi que de l’évaluation des performances de l’étireur-compresseur. Deux systèmes laser d’amplification à dérive de fréquence ont été conçus et présentés, le premier visant des impulsions fs à large bande avec une puissance moyenne élevée, et le second système visant des impulsions ps à haute énergie. La technologie peu mature dans la région spectrale de 2μm et la faible disponibilité de dispositifs d’étirement adaptés entravent la compression d’impulsions à cette longueur d’onde.Dans la dernière section de la thèse, nous avons étudié les performances des fibres co-dopées Tm:Ho en configuration d’amplification. Nous discutons des principaux défis de ces fibres, notamment les effets de transfert d’énergie, la disponibilité des sources de pompage qui donnent lieu à deux schémas de pompage principaux : le pompage par diode et le pompage intra-bande, ainsi que les limitations en termes de taille de fibre. Nous avons testé les fibres dopées Tm:Ho, y compris les fibres à coeur large pour l’amplification d’impulsions à bande étroite et à large bande.

The chirped pulse amplification (CPA) technique was developed to power scale the pulsesfrom mode-locked oscillators as the pulse energy was not sufficient to target applicationssuch as strong field physics and particle acceleration. Since its development in 1985 ithas been applied in a wide variety of commercially available laser systems and ultra-highpower laser facilities. The technique allows to circumvent the accumulation of non-linearphase which hampers pulse compression and allows to maintain the fluence of the pulsesbelow the laser induced damage thresholds (LIDT) of components. In this thesis wedevelop CPA laser systems operating at 2.05μm wavelengths with high average powerand high energy starting from the development of the seed laser up to the design andimplementation of the pulse stretcher, amplifiers and pulse compressor.In the first section of the thesis we introduce the physics background and phenomenarequired for understanding the chirped pulse amplification technique and the developmentof the seed laser. This includes dispersion, self-phase modulation and Raman scattering.In the second section of the thesis we present the development of an all-fiber polarizationmaintaining laser tunable over 170nm, from 1880nm up to 2050nm via Ramansoliton self-frequency shift (SSFS). The system is based on exclusively commercially availablestandard fibers. We have characterised the laser in terms of power, spectrum andpulse duration and we have included a post-compression stage that relies on non-lineareffects to reach the sub-100 fs duration across the whole tunability range. Simulations ofthe soliton post-compression shows the versatility of the laser which allows to customisethe pulse duration over a spectral range or for a particular wavelength. We believe thatthe laser is a versatile and robust alternative to Tm and Tm:Ho oscillators.In the third section we have tested the tunable laser in a wide variety of stretchingand compression architectures suitable for CPA. We have investigated fibers and chirpedvolume Bragg gratings (CVBG) as pulse stretching devices and grating pairs and CVBGsas pulse compressors. We discuss how to dimension a stretching-compressor pair takinginto account the non-linear phase and gain narrowing effect that takes place during pulseamplification and how to evaluate the stretching-compressor performance. Two differentchirped pulse amplification laser systems have been designed and presented, the first onetargets broadband fs pulses with high average power and the second system targets highenergetic ps pulses. The non-mature technology in the 2μm spectral region and the weakavailability of suitable stretching devices hinders pulse compression at this wavelength.In the last section of the thesis we investigated the performance of Tm:Ho co-dopedfibers in amplification configuration. We discuss the main challenges of these fibers includingthe cross-relaxation effects, the availability of pump sources which gives rise totwo main pumping schemes: diode pumping and in-band pumping and the limitations interms of fiber size. We tested Tm:Ho doped fibers, including LMA for narrowband andbroadband pulse amplification.