Conception de laser à fibre double gaine pour des

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010
Conception de laser à fibre double gaine pour des applications
en vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) et marquage
laser
Driss MGHARAZ
1
, Marc BRUNEL
UMR 6614 CORIA CNRS UMR 6614, Avenue de l’Université, BP 12, 76801 Saint-Etienne du
Rouvray Cedex, France.
Email :
1
driss.m[email protected]
Nous avons développé deux modèles de lasers à fibre double gaine dopée ytterbium
déclenchés activement. A partir des simulations numériques, nous présentons deux cavités laser
optimisées : la première est capable d'émettre une paire d'impulsions sub-nanosecondes séparées
par un temps supérieur à 500 ns, ce type de régime pouvant servir dans des applications de PIV.
La deuxième cavité conçue permet d'émettre des impulsions longues (150 ns) avec une énergie
de quelques millijoules. Ce type d'impulsions intéresse la science des matériaux et la combustion.
Dans les deux cas, le temps de montée du modulateur électro-optique reste un paramètre très
important.
1 Introduction :
L'étude de milieux diphasiques et de milieux réactifs nécessite l'utilisation de nombreux
laser, en particulier des lasers impulsionnels nanosecondes. On connait les techniques très
répandues de vélocimétrie laser (PIV), de diffusion Raman stimulée ou spontanée, de
fluorescence induite par laser. Selon les applications, l'émission de la source doit présenter des
caractéristiques très spécifiques. Ainsi, en PIV, le laser doit émettre une paire d'impulsions de
quelques nanosecondes de durée. Dans le cas d'expériences de diffusion Raman spontanée, il est
préférable de disposer d'impulsions nanosecondes énergétiques mais relativement longues
(quelques centaines de nanosecondes). Depuis une dizaine d’années, la montée en énergie des
lasers à fibres a montré le très grand potentiel de ces lasers pour la métrologie. Les lasers à fibre,
compacts et peu coûteux peuvent offrir une alternative très intéressante aux lasers couramment
utilisés comme les lasers Nd:YAG. Toutefois, ils sont encore peu utilisés pour des applications
spécifiques. Selon les applications, il est en effet nécessaire de mener des travaux d’optimisation
et de design pour aboutir à une cavité ayant des propriétés d’émission spécifiques: en particulier
l'émission de paires d'impulsions nanosecondes pour des applications en PIV ou bien l'émission
d'impulsions de plusieurs centaines de nanosecondes.
Le travail théorique que nous présentons consiste à optimiser deux cavités laser à fibre
capables de produire respectivement une paire d'impulsions identiques pour la PIV ou des
impulsions nanosecondes longues utilisables pour des traitements de surface. Nous montrons qu'il
est possible de remplacer les lasers Nd:YAG classiquement utilisés dans les deux applications par
des lasers à fibre qui sont moins coûteux et très performants.
2 Optimisation d'un laser double-impulsion en cavité unidirectionnelle
2.1 Configuration de base
Dans un laser à fibre le milieu amplificateur est une fibre optique dopée. Nous considerons
dans notre cas une fibre double-gaine dopée à l’ytterbium. Ce type de fibre, avec présence d’une

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première gaine permet d’augmenter la puissance de pompage de manière très significative et ces
fibres sont à l’origine des importantes montées en énergie des laser à fibre depuis une dizaine
d’années [1-4]. Nous considérons une cavité laser unidirectionnelle composée de deux fibres
optiques, une dopée en ytterbium et une deuxième non-dopée, un coupleur 90/10, un modulateur
électro-optique (EO), un multiplexeur de longueurs d'onde, un isolant optique et une diode laser de
pompage. La figure 1 montre la configuration correspondante.
Le pompage s'effectue avec une diode laser émettant à la longueur d'onde de 940 nm; la
lumière est injectée dans la fibre optique dopée ytterbium par un multiplixeur (WDM). La lumière
amplifiée transmise par cette fibre passe par le modulateur et est réinjectée dans la fibre optique
non-dopée par l'intermédiaire d'un coupleur 90/10 qui a pour rôle de dégager en sortie 10% de
puissance de signal qui circule dans la cavité à une longueur d'onde de 1080 nm. Enfin, nous
utilisons un isolateur optique pour éliminer tout signal contrapropagatif et rendre la cavité
unidirectionnelle.
Figure 1 : Configuration de base d'une cavité en anneau longue de 110 m.
Nous avons développé des simulations numériques capables de décrire cette cavité et par
conséquent de calculer les impulsions émises par une cavité de ce type. Nos simulations sont
inspirées des travaux de [5,6] et les prédictions qu’elles nous permettent sont en accord avec des
résultats expérimentaux dans le cas de lasers à fibres dopées erbium [6].
2.2 Design d'une cavité unidirectionnelle pour une émission bi-impulsion
Comme nous l'avons annoncé au début, le temps de montée du modulateur électro-optique
est un paramètre important dans l'optimisation d’un laser à fibre déclenché. Ainsi, pour montrer
l'influence de ce dernier sur le régime de fonctionnement du laser, ainsi que son rôle dans les
formes finales des impulsions laser, en particulier la largeur et l'énergie des impulsions produites
par un tel laser, nous avons calculé les impulsions émises par le laser pour un temps de montée
de 100 ns. La figure 2 montre le profile temporel de l'impulsion de sortie. Dans cette première
configuration, nous prenons une longueur de la fibre dopée ytterbium de 6 m, mais nous

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n'introduisons pas de fibre optique non dopée. De cette figure, nous remarquons que l'impulsion
de sortie est composée de plusieurs pics; de telles formes d'impulsions de sortie ont été clairement
vérifiées par l'expérience [5].
Figure 2 : Evolution temporelle des impulsions de sortie pour un temps de montée du
modulateur de 100 ns.
L'intervalle de temps entre deux pics successifs est dans tous les cas 29 ns, ce qui
correspond au temps de parcours d'une cavité de 6 m. L'enveloppe globale des impulsions multi-
pics est plus ou moins large en fonction du temps de montée du modulateur électro-optique. Un
temps de montée plus petit conduit à des impulsions longues avec un nombre important de pics,
tandis qu'un temps plus grand conduit à des impulsions plus courtes avec moins de pics. En outre,
les durées de pics sont d'autant plus courtes que le temps de montée est petit.
De la figure 2, nous remarquons qu'il est possible d'isoler deux pics successifs en réduisant
le temps d'ouverture du modulateur électro-optique, et par conséquent de réaliser un laser à fibre
double-impulsions. En revanche, le temps de séparation entre deux pics successifs (29 ns) est
trop petit pour des applications PIV. Ceci sera résolu par l'utilisation de fibres plus longues, pour
augmenter le temps de parcours dans la cavité. Nous allons ainsi vérifier l'importance de la
longueur de la cavité dans ce qui suit.
Les prochaines étapes consistent à isoler deux pics ayant les mêmes énergies et séparées
par un écart temporel qui dépasse 500 ns. Après quelques phases d'optimisation que nous ne
détaillerons pas ici, nous considérons finalement la configuration suivante: nous introduisons une
fibre optique non dopée dans la cavité. Le rôle de cette fibre est d'augmenter l'écart temporel entre
les pics sans augmenter leur durée. La longueur totale de la cavité est 110 m (longueur de fibre
dopée =30m, longueur de fibre non dopée =80m). Le temps de montée du modulateur est pris égal
à 10 ns de façon à générer des impulsions assez courtes. La figure 4 montre les impulsions de
sortie émises par notre cavité en anneau à une fréquence de répétition de 30 kHz. Ainsi, cette
figure montre clairement l'émission d'une paire d'impulsions séparées approximativement par 532
ns, sachant que le temps aller retour dans une cavité unidirectionnelle de 110 m vaut 532 ns. La

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largeur à mi-hauteur et l'énergie de chaque impulsion sont respectivement (185 ps: 0.15 mJ) et
(115 ps: 0.14 mJ). Comme nous remarquons, les deux impulsions de sortie produites ne sont pas
tout à fait identiques mais pour les expériences PIV le plus important est l'énergie relative entre les
deux impulsions ; dans notre cas, le rapport entre les énergies des deux impulsions ne dépasse
pas 6%.
Figure 3 : Evolution temporelle des impulsions de sortie pour trois valeurs du temps de
montée du modulateur: 100 ns.
Ces données démontrent qu'il est possible de concevoir un laser à fibre double gaine
fonctionnant en mode déclenché destiné à être utilisé dans des expériences de PIV. Le principal
avantage de ce système laser est l'unicité de la cavité qui ne nécessite pas d'alignement entre les
deux impulsions puisque l'alignement spatial entre ces dernières se fait systématiquement du fait
qu'elles proviennent de la même cavité laser. Combiné au faible coût des lasers à fibre, cela ouvre
un important domaine d'applications pour les lasers à fibre double gaine.
Pour conclure, nous avons conçu un modèle de cavité en anneau capable de prédire
l'émission d'une paire d'impulsions sub-nanosecondes pour des applications en PIV. Ces résultats
confirment qu'il est possible de remplacer le laser Nd :YAG classique. Dans le paragraphe suivant
nous allons étudier un autre domaine d'applications des modélisations que nous avons
développées.
3 Génération d'impulsions longues à partir d'une cavité en anneau
unidirectionnelle
3.1 Introduction

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Nous allons maintenant nous intéresser à des contraintes "diamétralement" opposées.
Cette section portera sur le design d'une cavité capable d'émettre des impulsions énergétiques
plus longues. Différentes applications concernant les sciences des matériaux [7, 8] ou la
caractérisation de milieux réactifs [ 9, 10] nécessitent en effet l'utilisation d'impulsions de plusieurs
centaines de nanosecondes. Il s'agit dans ce cas d'obtenir des impulsions énergétiques mais dont
la puissance crête n'excède jamais certaines valeurs limites pour éviter tout effet non-linéaire
indésirable.
En science des matériaux, la spectroscopie d'émission d'une plume d'ablation laser pour
l'analyse de la surface d'un solide peut être améliorée par l'utilisation de longues impulsions laser
(150 ns) [10]. Les processus de texture et de coloration de surface sont des applications
industrielles qui nécessitent des impulsions laser déclenchées longues variant entre 150 ns et 500
ns, avec une énergie d'impulsion qui varie entre 3 mJ et 6 mJ [7, 8].
Comme précédemment, un modèle de cavités sera étudié: une cavité en anneau
unidirectionnelle. Nous allons chercher les paramètres d'une telle cavité qui permettent d'obtenir
les impulsions recherchées: impulsions énergétiques, longues (de plusieurs centaines de
nanosecondes).
3.2 Optimisation d'une cavité en anneau pour la génération d'impulsions longues pour
des applications industrielles
Il est possible d'augmenter l'énergie par impulsion en augmentant le pompage, mais alors
la durée des impulsions est plus courte. Il faut alors ré-augmenter la durée des impulsions (à
travers la longueur de la fibre et les caractéristiques du modulateur). Finalement, nous considérons
la cavité en anneau décrite dans la figure 1 mais sans utiliser la fibre non-dopée, où la fibre
optique dopée ytterbium est une fibre à grande section du cœur. Nous prenons une fibre de 3.5 m
avec une concentration de 2*10
25
m
-3
, tandis que la puissance de pompe délivrée par une diode
laser vaut 14 W à une longueur d'onde de 940 nm. Les temps de montée et d'ouverture du
modulateur EO sont respectivement 380 ns et 5 µs. A noter que les deux paramètres les plus
importants (la longueur de la cavité et le temps de montée du modulateur) doivent être modifiés
pour obtenir ce régime. Enfin, nous extrayons 10% du signal qui circule dans la cavité par
l'intermédiaire d'un coupleur 90/10.
La figure 4 montre le profil temporel de l'impulsion de sortie produite dans ce cas. Comme
prévu, nous obtenons une impulsion longue où les multi-pics sont lissés. La largeur à mi-hauteur et
l'énergie de l'impulsion sont respectivement 150 ns et 4.8 mJ. Par conséquent, il est possible de
développer un laser à fibre double gaine en mode déclenché qui peut émettre des impulsions
longues de 150 ns ayant des énergies qui atteignent plusieurs milli-joules par impulsion.