Mémoire de magister

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
Mémoire de magister
SPECIALITE : PHYSIQUE
OPTION : SCIENCE DE LA MATIERE
Présenté par :
M
elle
KALAI Chafiqa
Devant la commission d’examen composée de :
Mr Slimane HELLAL
Mr El Hocine MEGCHICHE
Mr Abderrahmane BELKHIR
Mr Mustafa BENARAB
Mr Omar LAMROUS
Approche des lasers fibrés passivement Q-déclenchés.
Application au laser Yb
3+
:Cr
4+
Professeur
Maître de conférences « A »
Maître de conférences « A »
Maître de conférences « A »
Professeur
UMMTO
UMMTO
UMMTO
UMMTO
UMMTO
Président
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Rapporteur

Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au laboratoire de Physique et Chimie
Quantique (L.P.C.Q) de l’Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou sous la direction du
Professeur Lamrous Omar.
Je tiens à exprimer mes plus vifs remerciements au Professeur Lamrous Omar de m’avoir
accepté au sein de son équipe et qui a dirigé mon travail avec beaucoup de compétence et de
patience.
Je remercie également, le Docteur Benarab Mustafa, qui m’a fait sentir que j'avais une place
dans ce domaine, ses aides précieuses sans relâche, et ses conseils m'ont permis de mener à
terme la réalisation de ce travail. Qu’il trouve ici ma profonde reconnaissance.
J’exprime toute ma gratitude au Professeur Hellal Slimane de l’université Mouloud Mammeri
qui m’a fait l’honneur de bien vouloir assurer la présidence du jury.
Je tiens à exprimer au Docteur Belkhir Abderrahmane ,et au Docteur El Hocine Megchiche , et
toute ma reconnaissance pour l’honneur qu’ils m’ont fait d’avoir accepté de faire partie du
jury.
Je remercie beaucoup, Djellout hocine ; ses qualités humaines et ses remarques m’ont été
précieuses surtout dans le domaine informatique.
Je remercie tous les membres du laboratoire, ainsi je remercie le directeur du laboratoire et
surtout les doctorants pour la bonne humeur qu’ils apportent au sein du laboratoire.
Je tiens à remercier particulièrement mes parents, ma famille, mes amis et toute personne qui
a contribué de loin ou de prés à la réalisation de ce mémoire.

Sommaire
1
SOMMAIRE
Introductiongénérale ................................................................................................................... 3
Chapitre I: Rappels sur les lasers et les fibres optiques
I .1.Physique des lasers ............................................................................................................... 5
I.1.1. Présentation des lasers ....................................................................................................... 5
I.1.2. Etude des cavités optiques dans le cadre des lasers ......................................................... 7
1. Les cavités Pérot-Fabry ................................................................................................. 7
2. Structure périodique des cavités lasers ........................................................................ 10
I.1.3 Faisceau Gaussien ............................................................................................................ 11
1. Propagation des faisceaux gaussiens ........................................................................... 11
2. Stabilité d’une cavité optique ...................................................................................... 12
3. Diagramme de stabilité ................................................................................................ 14
4. Les modes d’une cavité laser ....................................................................................... 14
5. Les modes gaussiens d’ordre supérieures .................................................................... 17
I .2. La physique des fibres optiques ........................................................................................ 19
I.2.1.Description d’une fibre optique ....................................................................................... 19
I.2.2.Différentes fibres optiques ............................................................................................... 20
1. Fibres Multimodes ....................................................................................................... 20
2. Fibre Monomode ......................................................................................................... 21
I .2.3. Les fibres optiques : dopage et pompage ....................................................................... 21
1. L’atténuation ................................................................................................................ 22
2. La dispersion chromatique Dc ..................................................................................... 22
3. Ouverture numérique ON ............................................................................................ 22
I.2.4. Equation de propagation dans la fibre optique ................................................................ 23
I.2.5. Les fibres doubles gaines ................................................................................................ 26
I.2.6 Filtres spectraux : réseaux de Bragg ................................................................................ 27
1. Miroir de Bragg .......................................................................................................... 27
2. Principe de réseau de Bragg ........................................................................................ 28
Chapitre II : Laser passivement Q-déclenché entièrement fibré
II.1. Rappels sur les lasers impulsionnels ................................................................................. 30
1. Les lasers à fibre ........................................................................................................... 30
2. Les absorbants saturables ............................................................................................. 30
3. Les lasers en régime impulsionnel................................................................................ 31
3.1. Le régime de verrouillage de modes.................................................................................. 32
3.2. Le régime déclenché .......................................................................................................... 33
II.2.Laser passivement Q-déclenché ......................................................................................... 35
1. Etat de l’art ................................................................................................................... 35
2. Principe de fonctionnement d’un régime déclenché par absorbant saturable .......... …38
3. Caractéristique des ions dopés ...................................................................................... 42
3.1. La spectroscopie des ions ytterbium .................................................................................. 42
3.2.Le spectre d’absorption et d’emission de l’Ytterbium ....................................................... 42
3.3. L’ion de dopage Cr
4+
........................................................................................................ 43
II.3.Mise en équation du fonctionnement du laser .................................................................. 44
1.Equation du milieu amplificateur Yb
3+
......................................................................... 44
2. Equation du milieu absorbant saturable Cr
4+
................................................................. 48
3. Equation de la densité de photons à l’intérieur de la cavité laser .................................. 52

Sommaire
2
Chapitre III: Résultats de simulations numériques
III.1.Introduction .............................................................................................................................................. 55
III.2.Evolution des caractéristiques du pulse laser en fonction de la puissance pompe .............. 56
1. Puissance crête .................................................................................................................................... 56
2. Largeur à mi-hauteur ......................................................................................................................... 59
3. La fréquence de répétition ................................................................................................................ 62
III.3.Evolution du pulse laser en fonction des concentrations ............................................................ 65
III.3.1.Résultats obtenus en fonction de la concentration Cr
4+
........................................................... 65
1.Puissance crête ...................................................................................................................................... 65
2. Largeur à mi-hauteur ......................................................................................................................... 68
3. La fréquence de répétition ................................................................................................................ 71
III.3.2.Résultats obtenus en fonction de la concentration Yb
3+
.......................................................... 72
1.Puissance crête ...................................................................................................................................... 72
2. Largeur à mi-hauteur ......................................................................................................................... 75
3. La fréquence de répétition ................................................................................................................ 77
Conclusiongénérale ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 79
Bibliographie ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 80

Introduction générale
3
Introduction générale
Le laser, est une invention majeure du XXe siècle, fait aujourd'hui partie intégrante de notre
quotidien. Pour preuve, l'acronyme "Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation" est devenu un nom commun. Il en existe de nombreuses formes : de la petite diode
de nos lecteurs CD jusqu'aux faisceaux ultra puissants qui découpent les métaux. Fin,
monochromatique, peu divergent, puissant, le rayonnement laser a des propriétés particulières
par rapport à un faisceau de lumière classique. Elles induisent des applications très variées.
Dans l'industrie, on les utilise pour leur puissance et leur précision, citons pour exemple :
marquage par un faisceau laser piloté par ordinateur, soudage, découpage, perçage. En
médecine, depuis une quinzaine d'années, les lasers sont des outils privilégiés des chirurgiens.
En télémétrie, on peut mesurer très précisément des distances grâce au temps mis par la
lumière pour les parcourir. En recherche fondamentale, les lasers restent bien sûr des
instruments favoris des physiciens et des chimistes, qui les utilisent pour sonder les secrets de
la matière ou la modéliser à l'échelle moléculaire. En 1954, Basov et prikhorov en URSS et
indépendamment townes aux USA, font fonctionner un dispositif à micro-ondes amplifiant le
rayonnement par le processus d’émission stimulée (MASER). En 1958, Townes et Schawlow
utilisent une cavité Fabrry- Pérot pour obtenir un maser optique. En 1960, nait le premier laser
à rubis : c’est un laser pulsé (émission à 694.3nm). L’année suivante, on réalise le premier
laser continu : le laser hélium-néon (He-Ne) qui émet dans l’infrarouge (1.15µm). En 1964,
est inventé un autre laser continu qui amplifie le rayonnement des molécules CO2 [1]. Ces
dernières années des lasers à fibre dopées aux ions de terre rares ont étaient développés, et
leur puissance à considérablement augmenté, ce qui leur a permis d’entrer en compétions avec
d’autre types de lasers, comme par exemple les lasers Nd : YAG [2]. Les lasers à fibres ont
beaucoup plus d’avantages, comparés à ces derniers : ils ont une bonne gestion thermique, ils
sont compacts, légers, et sont doués d’une bonne qualité de faisceau. Grâce à l’utilisation de
certaines fibres douées de propriétés remarquables, comme par exemple des fibres à double
gaines (DCF), ou des fibres à large cœur (LMA fiber), la puissance délivrée par ce type de
lasers a considérablement augmenté atteignant des valeurs de plusieurs KW que ça soit en
fonctionnement continu [3]. Deux méthodes sont généralement distinguées pour faire
fonctionner un laser en régime impulsionnel : le déclenchement (Q-switch) et les impulsions
émises avec cette technique sont de longues durées (de l’ordre de la nanoseconde) et le
verrouillage de modes (Mode-lock) les impulsions émises par la technique du verrouillage de
modes sont courtes (quelques femtosecondes à quelques picosecondes) [4].