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MINIST` ERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP´ ERIEUR ET DE
LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSIT´ E MOULOUD MAMMERI DE TIZI–OUZOU
FACULT´ E DES SCIENCES
D´ EPARTEMENT DE PHYSIQUE
TH` ESE DE DOCTORAT
Sp´ecialit´e : Physique
Option : Physique des Mat´eriaux
Pr´esent´ee par
Lila DJEBALA
´
Etudes et caract´erisation des dopants dans les
lasers fibr´es en vue d’am´eliorer leurs
caract´eristiques de sortie
Present´ee devant la commission compos´ee de :
Mr LAMROUS Omar Professeur U.M.M.T.O Pr´esident
Mr MOKDAD Rabah Professeur U.M.M.T.O Rapporteur
Mr HIDEUR Ammar M.C (HDR) U de ROUEN-France Examinateur
Mr LOUNIS Mourad Professeur U.S.T.O Oran Examinateur
Mr ZIANE Omar Professeur U.S.T.H.B Examinateur
Mr BOURAHLA Boualem Professeur U.M.M.T.O Examinateur
Soutenue : le 09/03/2016

Table des mati`eres
Table des figures vi
Liste des tableaux ix
Remerciement 1
Introduction G´en´erale 3
1 Propri´et´es g´en´erales des lasers `a fibres 7
1.1 Introduction ................................. 7
1.2 Ions de terres rares .............................. 8
1.2.1 Propri´et´es ´electroniques particuli`eres ................ 8
1.2.2 Niveaux d’´energie des ions terres rares ............... 10
1.2.3 Interaction du rayonnement avec les ions des terres rares ..... 12
1.2.4 Dur´ee de vie d’un niveau d’´energie ................. 12
1.3 Les transitions radiatives ........................... 12
1.3.1 L’absorption .............................. 13
1.3.2 L’´emission ............................... 14
1.3.2.1 ´ Emission stimul´ee ..................... 15
1.3.2.2 L’´emission spontan´ee .................... 16
1.4 Transitions non-radiatives .......................... 16
1.5 Incorporation des ions des terres rares dans une matrice vitreuse ..... 17
1.6 Fibres optiques ................................ 18
1.6.1 Structure d’une fibre optique ..................... 19
1.6.2 Caract´eristiques des fibres optiques ................. 19
1.6.2.1 Fr´equence normalis´ee .................... 20
1.6.2.2 Fibre optique multimodes `a saut d’indice ......... 20
1.6.2.3 Fibre optique multimodes `a gradient d’indice ...... 20
1.6.2.4 Fibre optique monomode ................. 21
1.6.2.5 Ouverture num´erique .................... 21

iv Table des mati`eres
1.7 Effets de propagation lin´eaire ........................ 22
1.7.1 L’att´enuation spectrale ........................ 22
1.7.2 La dispersion ............................. 23
1.7.2.1 Dispersion chromatique .................. 23
1.7.2.2 Dispersion modale de polarisation ............. 24
1.7.2.3 Dispersion intermodale ................... 24
1.8 Effets de propagation non-lin´eaires ..................... 24
1.8.1 Effet Kerr ............................... 25
1.8.2 Diffusion Brillouin Stimul´ee (D.B.S) ................. 25
1.8.3 Diffusion Raman Stimul´ee (D.R.S) ................. 26
1.9 Amplificateurs `a fibres ............................ 27
1.10 Laser `a fibre .................................. 30
1.10.1 Fibre `a double gaine ......................... 31
1.10.2 Fibre `a large cœur de surface LMA(Large Mode Area) ...... 33
1.10.3 Fibre microstructur´ee ......................... 34
2 Lasers passivement Q-d´eclench´es 37
2.1 Diff´erentes m´ethodes de d´eclenchement ................... 38
2.1.1 Le d´eclenchement actif ........................ 39
2.1.1.1 Le modulateur ´electro-optique ............... 39
2.1.1.2 Le modulateur acousto-optique .............. 39
2.1.2 Le d´eclenchement passif ....................... 39
2.2 Principe de fonctionnement dans le cas d’un r´egime d´eclench´e par absor-
bant saturable ................................. 41
2.3 ´ Etat de l’art des lasers passivement Q-d´eclench´es ............. 42
2.4 Principaux param`etres des lasers passivement Q-d´eclench´es ........ 45
2.4.1 Impulsion laser ............................ 45
2.4.2 ´ Energie de saturation ......................... 47
2.4.3 Largeur d’impulsion ......................... 47
2.5 Conclusion ................................... 48
3 R´ealisation d’un laser passivement Q-d´eclench´e 49
3.1 Influence de la concentration des ions absorbant saturable sur l’optimisa-
tion du laser ainsi que sur la largeur `a mi-hauteur des impulsions . . . . 50
3.2 R´ealisation d’un laser `a fibre dop´ee Erbium passivement Q-d´eclench´e . . 51
3.3 Param`etre spectroscopique de l’ion Erbium ................ 52
3.4 Absorbants saturables semi-conducteurs `a multi-puits quantiques . . . . 54
3.4.1 Structure de bandes des semi-conducteurs ............. 54
3.4.2 Absorption de la saturation InGaAs/InP .............. 56
3.4.3 Loi de saturation d’absorption ................... 56

Table des mati`eres v
3.4.4 R´eduction de temps de relaxation .................. 57
3.5 Absorbants saturables utilis´es ........................ 57
3.6 Dispositif exp´erimental ............................ 58
3.7 R´esultats ................................... 59
3.8 Interpr´etation des r´esultats ......................... 62
3.9 Conclusion .................................. 64
4 Param`etres influents l’optimisation d’un laser passivement Q-d´eclench´e 65
4.1 Choix de l’ion N´eodyme comme particule active dans le milieu amplifica-
teur ...................................... 65
4.1.1 Spectroscopie de l’ion Nd+3 ..................... 66
4.2 Mat´eriaux lasers dop´es au N´eodyme ..................... 68
4.3 Le choix de l’ion Chrome comme ion actif dans le milieu absorbant saturable 71
4.4 Mod`ele th´eorique des ´equations cin´etiques ................. 73
4.4.1 ´ Equation du milieu amplificateur Nd+3 ............... 74
4.4.2 ´ Equation du milieu absorbant saturable ............... 78
4.4.3 ´ Equation de la densit´e de photons intra-cavit´e ........... 80
4.5 Conclusion ................................... 82
5 Optimisation de la puissance de sortie d’un laser passivement Q-
d´eclench´e 85
5.1 Puissance pompe seuil d’un laser ...................... 86
5.2 ´ Etude de la stabilit´e lin´eaire ......................... 88
5.3 Impact de rapport des sections efficaces du milieu AS sur le milieu `a gain
sur l’optimisation d’un laser passivement Q-d´eclench´e ........... 92
5.4 R´esultats obtenus ............................... 94
5.5 Interpr´etation des r´esultats obtenus ..................... 96
5.6 D´etermination de la valeur permettant l’optimisation d’un laser passive-
ment Q-d´eclench´e ............................... 97
5.7 Conclusion ................................... 99
Conclusion g´en´erale 100
R´esum´e 101
Bibliographie 103