Fibres à gaine hétérogène structurée

La structuration de la gaine optique par des matériaux à fort indice de réfraction (silice dopée au Germanium par exemple) permet d'obtenir un guidage par réflexion totale interne modifié par la structuration. Ce type de guidage assure une délocalisation du champ électrique des modes de coeur dans la gaine, et ce, de manière sélective en fonction des paramètres optogéométriques de la fibre. Une structure optimisée peut donc entrainer délocalisation de tous les modes d'ordre élevés dans la gaine alors que le mode fondamental reste bien confiné dans le coeur actif. En régime laser, l'émission transversalement monomode peut être obtenue grâce à la compétition modale qui opère naturellement. Un tel coeur pouvant être à la fois de grande section et constitué d'un matériau fortement dopé (l'indice de réfraction augmentant avec la concentration de dopant), cette structuration permet de repousser les limites technologiques rencontrées aujourd'hui avec les méthodes classiques pour la fabrication de fibres à large coeur dopé.

Profil d'indice de réfraction théorique

(a) Image MEB de la section transverse d'une fibre à profil de gaine structurée (coll. IPHT). (b) Distribution spatiale de l'intensité lumineuse en champ proche.

Le développement de ce type de fibre a bénéficié du soutien de l'ANR dans le cadre d'un projet intitulé "FOCALASE". Pour la partie expérimentale, le projet s'appuie sur le Groupement d'Intérêt Scientifique GRIFON du CNRS regroupant les installations d'XLIM, du laboratoire PhLAM (Université de LILLE) et du LPMC (Université de LILLE) et une collaboration avec l'Institute of Photonic Technology (IPHT JENA).

Fibres à Bande Interdite Photoniques unidimensionnelles actives

La structure particulière des fibres à bande interdite photonique unidimensionnelle (connues plus communément sous le nom de fibres de Bragg) peut autoriser la propagation d'un mode caractérisé par une très grande aire effective (Aeff / lambda2 ~ 650) tout en conservant des pertes de confinement acceptables pour une utilisation de quelques mètres de fibre (longueurs requises pour des applications laser). Une telle fibre optique associée à un large coeur dopé avec des ions de terres rares offrant ainsi un grand volume actif remplit ainsi les conditions indispensables à l'obtention de très fortes puissances lumineuses. Concernant la qualité spatiale du faisceau émis en sortie de fibre, ce type de structure permet un très faible guidage des modes d'ordre élevé couplé à une amplification préférentielle du mode fondamental. Un point clé du développement de sources lasers de forte puissance reste leur faible encombrement. Ce critère est validé ici par l'utilisation de ces structures puisque ces dernières bénéficient de surcroît d'une faible sensibilité à la courbure en comparaison avec les fibres microstructurées air/silice. Les recherches menées au sein de ce projet ont ainsi permis la conception du premier laser à fibre à bande interdite photonique dopée à l'ytterbium. La fibre de Bragg active utilisée présentait un diamètre de coeur de 20 µm et tolérait un rayon de courbure critique inférieur à 6 cm. Très récemment, c'est une fibre de 40 µm de diamètre de coeur qui a été mise au point (cf. figures ci-dessous). Une puissance optique de 150 W a été mesurée en sortie de fibre en régime continu (resp. 82 W moyen en régime d?impulsion femtoseconde) pour un rayon critique mesuré expérimentalement proche de 10 cm. De plus, une excellent qualité de faisceau (M2=1,12) a été mesurée.

(a) Fibre à bande interdite photonique unidimensionnelle : Dcoeur = 40 µm, Dgaine interne = 239 µm et (b) Mesure de la puissance de signal en sortie (lambdaP = 975 nm, lambdaS ~ 1050 nm).

Le développement de ce type de fibre a bénéficié du soutien de l'ANR dans le cadre d'un projet intitulé "HiPoLYF" et du Ministère des Affaires Etrangères (MAE). Ces travaux ont été menés en une collaboration avec le Fiber Optics Research Center (FORC Moscou).

Fibre à large aire modale dopée ytterbium fabriquée par vitrication de sable

Une troisième voie consiste à étendre le diamètre de coeur en réduisant le contraste indiciel coeur-gaine. Ceci impose une maîtrise en 10-4 de l'indice de réfraction et les tous premiers résultats montrent le potentiel d'une méthode de synthèse à base de poudre de silice. Une efficacité laser de 74 % a été obtenue expérimentalement, démontrant que l'homogénéité du matériau est compatible avec l'objectif visé.

(a) Profil d'indice de réfraction de la fibre dopée ytterbium fabriquée par vitrification de sable de silice. (b) Image MEB du coeur de la fibre. (c) Courbe de puissance émise en fonction de la puissance injectée (distribution spatiale d'intensité du rayonnement émis en insert).

La synthèse d'une fibre monomode dopée à l'ytterbium est en cours de réalisation. Ces travaux sont menés en collaboration avec la Société Suisse SILITEC FIBRE (Boudry) et L'IPHT (Jena).

Depuis plusieurs années, des sources cohérentes spatialement émettant un rayonnement au spectre très étendu font l'objet d'études intenses dans de nombreux laboratoires de part le monde. Les fibres optiques microstructurées ont largement contribué au développement de telles sources, en particulier lorsque l'émission dans l'UV ou le visible est requise. Nous proposons ici une approche innovante avec une structure de fibre hybride au sein de laquelle plusieurs fonctions sont réalisées. En effet, les fibres utilisées pour la génération de spectres larges sont habituellement passives, la puissance du faisceau excitateur est par conséquent d'autant plus rapidement affaiblie que la construction du continuum est efficace. Afin de réaliser des sources bas coût et compactes émettant un spectre large sans recourir à des assemblages complexes, nous intégrons au sein même de la fibre non linéaire la fonction d'amplification de puissance. L'entretien, voire l'augmentation du niveau de puissance dans le coeur de la fibre conduit à une élévation notable de la puissance transférée vers le continuum ainsi qu'à un élargissement supplémentaire de celui-ci. L'énergie indispensable à l'amplification peut être apportée par des diodes laser puissantes mais compactes, qui ne gênent en rien l'intégrabilité de la source. Les fibres hybrides que nous développons guident les impulsions de pompe sur un mode d'aire effective réduite à quelques µm2 pour favoriser la génération du continuum. Le coeur est dopé ytterbium (Yb) pour assurer une amplification autour de 1,06 µm mais d'autres terres rares sont envisagées. La fibre doit par ailleurs comporter une gaine multimode susceptible de guider une forte puissance de pompage.

(a) Exemple d'amélioration de la densité spectrale de puissance en présence de gain dans le domaine visible. (b) Image MEB de la fibre non linéaire active à double gaine utilisée.

Le moyen infrarouge, domaine spectral s'étendant de 2 µm à 5 µm, comprend deux bandes de transmission atmosphérique tandis que de très nombreuses molécules, en particulier organiques, présentent leur bande d'absorption fondamentale dans ce domaine spectral. De là découlent plusieurs applications dont les contre-mesures optroniques ou la spectroscopie d'absorption. Obtenir des rayonnements lumineux spatialement cohérents représente un enjeu majeur pour l'amélioration des performances de ces systèmes. C'est dans ce contexte que nous développons des sources lumineuses infrarouges de haute brillance. Les fibres optiques, de par leur caractère unimodal transverse, constituent un medium de choix pour l'émission d'un faisceau spatialement cohérent. Bien que le dopage aux terres rares puisse être développé dans les fibres optiques infrarouges, notamment fondées sur des verres de chalcogénures ou de fluorures, nous avons choisi d'explorer les potentialités de l'optique nonlinéaire pour la conversion de fréquence du proche infrarouge vers le moyen infrarouge. Dans ce contexte, nous collaborons avec des chimistes pour l'élaboration de fibres optiques transparentes dans l'infrarouge et avec des laséristes pour la réalisation de sources impulsionnelles adaptées au pompage optique de ces fibres. Dans un premier temps nous avons mis au point en collaboration avec le Centre des Lasers Intenses et Applications (CeLIA UMR CNRS 5107 Université de Bordeaux I) un amplificateur paramétrique optique pompé par un laser à fibre. Cette source accordable en longueur d'onde de 1,2 µm à 2 µm émet un faisceau d'une excellente qualité spatiale, adapté à l'injection efficace dans des fibres optiques, et de forte puissance moyenne, permettant la caractérisation de dispositifs optiques dans l'infrarouge. Cette source a été utilisée pour pomper des fibres microstructurées fondées sur un verre à base d'un alliage d'oxydes de métaux lourds fabriquées à la Faculté de Physique de Varsovie. La conjonction d'un pompage efficace et d?une bonne transparence dans l'infrarouge a permis de réaliser le premier supercontinuum infrarouge dans une fibre microstructurée d'oxydes de métaux lourds (Fig. a).Nous collaborons avec le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique (LCFIO UMR 8501 CNRS, Université Paris Sud) et utilisons une source à fibre émettant un rayonnement femtoseconde à 1,6 µm pour pomper des fibres en verres de fluorures. Nous avons obtenu un supercontinuum s'étendant du domaine visible jusqu'à 4,2 µm, c'est-à-dire incluant la seconde bande de transmission atmosphérique (Fig. b). Ces sources de haute brillance sont en passe d'être utilisées pour la caractérisation de fibres optiques à coeur creux pour l'infrarouge.

(a) Spectre mesuré en sortie de la fibre microstructurée d'oxydes de métaux lourds pompée par un amplificateur paramétrique optique à fibre. En trait pointillé est représenté le résultat de la résolution de l'équation de propagation en régime nonlinéaire; (b) Spectre mesuré en sortie de la fibre fluorée pompée par un laser femtoseconde émettant à 1,6 µm. En trait pointillé est représenté le résultat de la résolution de l'équation de propagation en régime nonlinéaire. L'insert représente la distribution d'intensité lumineuse en champ proche en sortie de fibre fluorée, attestant de l'excellente qualité spatiale du faisceau.

En outre, les connaissances acquises au cours des dernières années sur les fibres optiques microstructurées air/silice à coeur creux nous conduisent à intensifier nos efforts vers le développement de sources laser émettant dans le domaine UV/visible. Enfin, les premières fibres à base de nanocristaux de zircone dopées ytterbium ou erbium/ytterbium ont été fabriquées. Au-delà de l'intérêt spectroscopique, leur efficacité optique devra être étudiée et optimisée avant leur utilisation pour des émissions lasers dans des gammes de longueurs d'onde non conventionnelles.