Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Utilisés depuis peu dans le secteur industriel et scientifique, les lasers à fibre possèdent des propriétés singulières : une grande efficacité optique, une bonne capacité à dissiper la chaleur, une excellente qualité de faisceau. Les récents développements technologiques dans l'industrie des télécommunications ont conduit à une grande fiabilisation des procédés de fabrication et à la disponibilité d'une grande variété de composants en optique guidée. Les différentes architectures laser sont établies sur la base des mécanismes d’amplification optique, des domaines de spectre atteignables et du régime temporel recherché. Les fibres optiques dopées ytterbium ont permis ainsi d’augmenter considérablement les performances des sources lasers monomodes transverses.
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Although fiber lasers have only been recently used in the industrial and scientific sector they nonetheless present outstanding properties such as great optical efficiency, reliable ability to dissipate heat and excellent beam quality. Recent technological developments within the telecommunication industry have fostered major reliability regarding fabrication processes and the availability of a large variety of guided optic components. The various laser architectures have been defined on the basis of optical amplification mechanisms, achievable spectrum areas and the sought after temporal regime. Ytterbium-doped optical fibers have thus significantly increased the performances of single-transverse-mode laser sources.
Auteur(s)
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Marc HANNA : Docteur en sciences pour l'ingénieur - Chargé de recherche au CNRS (Laboratoire Charles Fabry, Institut d'Optique, CNRS, université Paris-Sud, UMR 8501)
INTRODUCTION
Bien que mis en œuvre pour la première fois dans les années 1960, les lasers à fibre ne sont utilisés de façon courante dans l'industrie que depuis une dizaine d'années. Ce succès s'explique par leurs propriétés singulières : ils combinent une grande efficacité optique, une bonne capacité à dissiper la chaleur, un potentiel d'intégration élevé, et une excellente qualité de faisceau. Ces propriétés, associées à la possibilité de pompage par diodes laser de forte puissance, font des lasers à fibre des sources dont la brillance est particulièrement élevée. De plus, les nombreux développements technologiques liés à l'industrie des télécommunications ont conduit à une grande fiabilisation des procédés de fabrication et à la disponibilité d'une grande variété de composants en optique guidée. Cet article s'attache à présenter de manière générale les lasers à fibre, leurs propriétés, et leurs applications.
Une première partie part des propriétés de guidage des fibres optiques actives pour déterminer les paramètres optogéométriques pertinents à la mise en œuvre de sources laser à fibre. Les différents schémas de pompage optique sont discutés. La qualité de faisceau est définie et les principales architectures utilisées autour de la fibre optique active sont décrites. Enfin, un modèle basé sur les équations de populations couramment utilisé est présenté, permettant de déterminer quantitativement les performances des sources laser à fibre.
Dans la deuxième partie, nous présentons les mécanismes d'amplification optique dans les fibres optiques, les différentes technologies qui leur sont associées, ainsi que les domaines du spectre optique qui peuvent être atteints en les utilisant. Trois terres rares dont les transitions radiatives sont couramment employées pour l'amplification optique, l'erbium, l'ytterbium, et le thulium, font l'objet d'une attention particulière. Des solutions plus polyvalentes en termes de domaine spectral, comme la diffusion Raman stimulée, l'amplification paramétrique optique, ou la génération de supercontinuum, sont brièvement présentées.
Les lasers à fibre peuvent être configurés pour émettre dans des régimes temporels très différents : le rayonnement émis peut être continu, et même monomode longitudinal, mais aussi être composé d'impulsions de durées variables, jusqu'au régime femtoseconde. Nous présentons dans une troisième partie les architectures laser permettant d'atteindre ces régimes, et les paramètres qui influencent les propriétés des impulsions émises.
Enfin, nous décrirons les principales applications des sources laser dans différents domaines de l'industrie, de la médecine et biologie, et de la physique. Nous verrons que les principales applications des lasers à fibre de forte puissance dans l'industrie sont le découpage, la soudure, le marquage laser. Les divers régimes temporels accessibles par les sources à fibre permettent l'obtention de qualités de découpe ou de marquage très différentes. D'autres applications plus spécifiques seront également examinées, telles que les capteurs, les lidars, la métrologie de fréquence par peigne femtoseconde, ou des applications en imagerie des tissus biologiques.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 1999 par Philippe GUILLOT
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Applications3. Régimes temporels : du continu au femtoseconde
3.1 Régime continu
Le régime continu est le régime obtenu par défaut d'une cavité laser simple, bien que parfois certains phénomènes de verrouillage de phase ou de déclenchement spontanés soient observés. Si aucun effort n'est fait pour contrôler le spectre de l'émission laser, cette émission continue est constituée dans le domaine spectral de plusieurs modes longitudinaux, dont les fréquences satisfont à l'équation (5). Cette propriété est due au caractère partiellement inhomogène de l'élargissement du gain dans les fibres optiques dopées. Le nombre de modes qui oscillent dans la cavité laser peut être réduit par l'introduction d'un filtre optique. Si, de plus, la longueur d'onde centrale de la bande passante du filtre peut être modifiée, on peut accorder la longueur d'onde du laser. Du fait du désordre des matériaux amorphes, les sections efficaces d'émission des terres rares dans la matrice de silice forment des bandes d'émission assez larges, de plusieurs dizaines de nanomètres pour l'ytterbium et l'erbium, plusieurs centaines de nanomètres pour le thulium. On peut donc mettre au point des lasers accordables sur toute cette bande spectrale. Il est également possible, en introduisant dans la cavité un filtre périodique, d'obtenir l'émission simultanée de plusieurs longueurs d'onde.
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De nombreuses applications tirent parti de la grande cohérence temporelle des sources laser, et les lasers à fibre ne font pas exception. Dans ce cas, il est nécessaire de réduire au maximum la largeur spectrale des sources, jusqu'à obtenir l'émission d'un seul mode longitudinal. On parle alors de laser monofréquence. De nombreux lasers à fibre monofréquence ont été réalisés et sont disponibles commercialement, et présentent des largeurs de raie à court terme de quelques mégahertz, jusqu'à des valeurs légèrement inférieures au kilohertz. La plupart de ces sources ont été réalisées à partir de lasers à fibre dopée...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DIGONNET (M.) - Rare-earth-doped fiber lasers and amplifiers. - Dekker (2001).
-
(2) - BJARKLEV (A.), BROENG (J.), BJARKLEV (A.S.) - Photonic crystal fibers. - Springer (2003).
-
(3) - BUCK (J.A.) - Fundamentals of optical fibers. - Wiley-Interscience (2004).
-
(4) - BOIVIN (D.), FOHN (T.), BUROV (E.), PASTOURET (A.), GONNET (C.) - Quenching investigation on new erbium doped fibers using MCVD nanoparticle doping process. - Proceedings of SPIE, vol. 7580, janv. 2010.
-
(5) - DESURVIRE (E.) - Erbium-doped fiber amplifiers. - Wiley-Interscience (2002).
-
(6) - STILES (E.) - New developments in IPG fiber laser technology. - Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers (2009).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
RP Fiber Power : Logiciel commercial de simulations de laser et amplificateurs à fibre optique http://www.rp-photonics.com/fiberpower.html
Fiberdesk : Logiciel commercial de simulation de propagation dans les fibres optiques, incluant les amplificateurs et les oscillateurs à fibre http://www.fiberdesk.com/
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Lien très utile sur la photonique en général et les sources lasers en particulier : Encyclopedia of laser physics and technology http://www.rp-photonics.com/encyclopedia.html (page consultée le 21 juin 2011)
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ISO 11146 - 2005 - Mesure de qualité spatiale de faisceau : Taille de faisceau et divergence « Lasers and laser-related equipment...
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