FR2931309A1 - POWER MONOMODE LASER DEVICE AND AMPLIFICATION SYSTEM COMPRISING THE LASER DEVICE - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un dispositif laser de puissance, notament utilisable pour des systèmes lidars, ainsi qu'à un système d'amplification comportant le dispositif.Le dispositif comprend un tronçon fibré d'entrée (1) destinées à amplifier un faisceau optique incident multimodes (3), un tronçon fibré de conversion (4) destinée à la conversion du faisceau optique incident multimodes en un faisceau monomode de puissance (8) et un tronçon fibré intermédiaire (9) permettant au faisceau optique incident multimodes (3) de se propager vers le tronçon fibré de conversion (4) et permettant au faisceau optique monomode réfléchi (8) de sortir du dispositif.L'invention a aussi pour objet un système d'amplification monomode de puissance comportant le dispositif laser monomode de puissance de l'invention.The present invention relates to a power laser device, which can be used for lidar systems, and to an amplification system comprising the device. The device comprises an input fiber-reinforced section (1) for amplifying an optical beam. multi-mode incident (3), a fiber conversion section (4) for the conversion of the multimode incident optical beam into a single-mode power beam (8) and an intermediate fiber section (9) allowing the multimode incident optical beam (3) to propagate towards the fiber-conversion section (4) and allowing the reflected monomode optical beam (8) to exit the device. The invention also relates to a single-mode power amplification system comprising the single-mode laser power device of the invention. 'invention.
Description
DISPOSITIF LASER MONOMODE DE PUISSANCE ET SYSTEME D'AMPLIFICATION COMPORTANT LE DISPOSITIF LASER La présente invention concerne un dispositif laser monomode de puissance ainsi qu'un système d'amplification comportant le dispositif laser. Ces dernières années, des progrès considérables ont été obtenus dans le domaine des lasers à fibre optique, principalement grâce à la poussée des applications de télécommunications. Parallèlement, les lasers à fibres de forte puissance (supérieure à 100 W) ont été étudiés pour les applications industrielles. Les avantages des lasers à fibres sur les lasers à état solide conventionnels (Nd :YAG par exemple) sont en effet nombreux, parmis lesquels on peut citer : - Une grande robustesse, le banc optique dans un laser à fibre étant la fibre elle-même, il n'y a pas de problème de désalignement comme dans un laser classique ; - Une grande efficacité avec des rendements électrique-optique jusqu'à deux fois plus importants que pour un laser solide pompé à diodes, celle-ci étant obtenue par le guidage de la pompe et le recouvrement spatial entre la pompe et le signal amplifié ; - Une meilleure répartition de la chaleur dans le milieu actif réduisant les problèmes liés à la gestion de la thermique ; Un meilleur guidage du mode permettant d'obtenir un faisceau de grande qualité spatiale (faisceau monomode) ; - La possibilité d'atteindre des gains considérables et de réaliser des amplificateurs efficaces ; - La possibilité d'obtenir une émission à sécurité oculaire (1,5 pm) de très grande efficacité (fibres dopées Erbium) ; Un coût potentiellement bas. Ces avantages rendent les lasers à fibres optiques extrêmement attractifs pour les applications industrielles (découpe, usinage...) et optronique (Lidar, télémètres, illuminateur). Même si des résultats tout à fait remarquables ont déjà été validés avec des fibres monomodes, l'obtention de puissance encore plus grande est rendue impossible par des problèmes de tenue au flux lumineux de la fibre monomode et l'apparition de phénomènes non linéaires parasites (effets Raman, Brillauin,.,..). Ces phénomènes parasites deviennent encore plus importants pour des systèmes Lidar dans lesquels la source laser fonctionne en régime impulsionnel, monomode spatial et mono-fréquence à grande finesse spectrale. La réalisation de sources lasers à fibres optiques compactes pour les applications Lidar est par ailleurs de toute première importance pour les systèmes embarqués sur avions pour la détection de vortex et de turbulences, créés en particulier à proximité des pistes d'aéroports par des avions lors de leurs décollages et atterrissages (ce qui peut perturber les conditions de vol des avions qui les suivent et nécessite donc de les espacer fortement). II y a donc aujourd'hui une réelle attente pour trouver des solutions innovantes permettant de s'affranchir de ces limitations. On a déjà proposé l'utilisation des lasers de puissance à fibre amplificatrice à très grand coeur diamètre (>100 pm), très fortement multimodes, en tant que dernier étage amplificateur. Le grand diamètre de la fibre permet de réduire l'intensité dans la fibre et d'éviter l'apparition des phénomènes non linéaires parasites. En revanche, le faisceau de sortie de la fibre est fortement multimodes. Pour limiter la densité d'énergie dans le coeur de la fibre, il est généralement utilisé des fibres LMA (Large Mode Area) possédant un diamètre de coeur de 20 pm à 50 pm plus grand que celui du coeur d'une fibre standard monomode. Afin d'obtenir un faisceau monomode spatial, le coeur possède une faible ouverture numérique (inférieure à 0,1 - typiquement 0,06) ce qui permet d'introduire des pertes sur les modes élevés. Néanmoins, et comme suggéré précédement, plus le coeur est grand, plus il est difficile de maintenir uniquement le mode fondamental. Par ailleurs, il est extrêmement difficile de réaliser un coeur dopé possédant un profil d'indice constant sur tout le diamètre du coeur. La non-uniformité du profil d'indice favorise la propagation d'un mode distordu (en forme de doughnut ) inutilisable pour les applications envisagées. L'obtention d'un faisceau polarisé à partir de techniques de rupture de symétrie du coeur devient également très difficile avec l'augmentation du diamètre du coeur. L'utilisation de fibres LMA permet d'obtenir aujourd'hui des énergies par Impulsion limitées à 300 pJ ce qui est trop peu pour les applications Lidar de détection aéroportée de turbulences pour lesquelles une énergie d'au moins 1 mJ est nécessaire. Une approche proposée dans une précédente demande de brevet (Procédé de production d'un faisceau laser de puissance et dispositif de mise en oeuvre, brevet Thales n° 05 09093) consiste à utiliser une fibre amplificatrice fortement multimodes à très grand coeur (supérieur à 50 pm, typiquement 75 pm) avec laquelle il est possible d'extraire de grandes énergies par impulsion sur un faisceau multimode spatial et dépolarisé. Le faisceau multimodes est ensuite converti en un faisceau monomode, polarisé dans une autre fibre passive à gradient d'indice. Cette conversion de mode est obtenue par nettoyage de faisceau (beam cleanup) par diffusion Brillouin stimulée. Dans un premier étage à fibre, on extrait le maximum d'énergie sans se soucier ni de la qualité de faisceau, ni de la polarisation. On obtient la qualité de faisceau et la polarisation souhaitée dans un deuxième étage à fibre. Le faisceau multimode injecté dans la fibre passive et le faisceau monomode obtenu se propagent en sens inverse suivant le même axe de propagation. Cela oblige à utiliser un isolateur de Faraday pour récupérer le faisceau monomode. L'utilisation de cet isolateur est contraignante puisqu'il oblige une propagation en espace libre entre la fibre multimodes amplificatrice et la fibre passive à gradient d'indice (on perd ainsi l'intérêt de la source fibrée). Outre son caractère volumineux, l'isolateur introduit de fortes pertes (typiquement plus de 50%). Par ailleurs, il est également difficile de maintenir la polarisation du faisceau monomode au cours du temps à cause des contraintes thermiques subies par la fibre à gradient d'indice. La présente invention a pour objet de résoudre les limitations de la solution rappelée ci-dessus et permet notamment : - la suppression de l'isolateur de Faraday et des pertes associées entre la fibre multimodes amplificatrice et la fibre à gradient d'indice ; - la suppression des propagations de faisceau en espace libre afin d'accroître la compacité de la source, sa robustesse, son insensibilité aux vibrations et aux chocs ; - le contrôle de la polarisation du faisceau de sortie par des techniques passives ou actives. The present invention relates to a single-mode laser power device and an amplification system comprising the laser device. In recent years, considerable progress has been made in the field of fiber optic lasers, mainly due to the surge in telecommunications applications. At the same time, high power fiber lasers (above 100 W) have been studied for industrial applications. The advantages of fiber lasers over conventional solid state lasers (Nd: YAG for example) are indeed numerous, among which we can mention: - High robustness, the optical bench in a fiber laser being the fiber itself there is no problem of misalignment as in a conventional laser; - High efficiency with optical-to-optical efficiencies up to twice as high as for a solid laser pumped diodes, the latter being obtained by guiding the pump and the spatial overlap between the pump and the amplified signal; - A better distribution of the heat in the active medium reducing the problems related to the management of the thermal one; Better mode guidance to obtain a beam of high spatial quality (single-mode beam); - The ability to achieve significant gains and achieve effective amplifiers; - The possibility of obtaining an eye-safe emission (1.5 μm) of very high efficiency (Erbium doped fibers); A potentially low cost. These advantages make optical fiber lasers extremely attractive for industrial (cutting, machining ...) and optronic (Lidar, rangefinders, illuminator) applications. Even if quite remarkable results have already been validated with monomode fibers, obtaining even greater power is made impossible by problems of resistance to the luminous flux of the single-mode fiber and the appearance of parasitic non-linear phenomena ( effects Raman, Brillauin,., ..). These parasitic phenomena become even more important for Lidar systems in which the laser source operates in pulse mode, single-mode space and mono-frequency spectral finesse. The development of compact optical fiber laser sources for Lidar applications is also of prime importance for aircraft-based systems for detecting vortices and turbulence, created especially near airport runways by aircraft during takeoffs and landings (which can disrupt the flight conditions of the planes that follow them and therefore require to space them strongly). So today there is a real wait to find innovative solutions to overcome these limitations. It has already been proposed to use very large diameter (> 100 μm) very high multimode fiber amplifying power lasers as the last amplifier stage. The large diameter of the fiber makes it possible to reduce the intensity in the fiber and to avoid the appearance of parasitic non-linear phenomena. In contrast, the output beam of the fiber is highly multimode. To limit the energy density in the core of the fiber, LMA (Large Mode Area) fibers having a core diameter of 20 μm to 50 μm larger than that of the core of a standard single mode fiber are generally used. In order to obtain a spatial single-mode beam, the core has a small numerical aperture (less than 0.1 - typically 0.06) which makes it possible to introduce losses on the high modes. Nevertheless, and as suggested above, the bigger the heart, the more difficult it is to maintain only the fundamental mode. Moreover, it is extremely difficult to produce a doped core having a constant index profile over the entire diameter of the core. The non-uniformity of the index profile favors the propagation of a distorted (donut-shaped) mode that is unusable for the intended applications. Obtaining a polarized beam from heart symmetry rupture techniques also becomes very difficult with the increase in the diameter of the heart. The use of LMA fibers makes it possible today to obtain pulse energies limited to 300 μJ, which is too little for Lidar airborne turbulence detection applications for which an energy of at least 1 mJ is required. An approach proposed in a previous patent application (process for producing a power laser beam and implementation device, Thales patent No. 05 09093) consists of using a highly multimode amplifying fiber with a very large core (greater than 50 pm, typically 75 μm) with which it is possible to extract large energies by pulse on a spatial and depolarized multimode beam. The multimode beam is then converted into a single-mode beam, polarized in another passive index gradient fiber. This mode conversion is achieved by beam cleanup using stimulated Brillouin scattering. In a first fiber stage, the maximum energy is extracted without worrying about the beam quality or the polarization. The desired beam quality and polarization are obtained in a second fiber stage. The multimode beam injected into the passive fiber and the monomode beam obtained propagate in the opposite direction along the same axis of propagation. This requires using a Faraday isolator to recover the single mode beam. The use of this isolator is restrictive since it forces a propagation in free space between the amplifying multimode fiber and the passive gradient index fiber (thus losing the interest of the fiber source). In addition to its voluminous nature, the insulator introduces high losses (typically more than 50%). Furthermore, it is also difficult to maintain the polarization of the monomode beam over time because of the thermal stresses experienced by the index gradient fiber. The present invention aims to solve the limitations of the solution mentioned above and allows in particular: the suppression of the Faraday isolator and the associated losses between the amplifying multimode fiber and the index gradient fiber; - the elimination of free-space beam propagation in order to increase the compactness of the source, its robustness, its insensitivity to vibrations and shocks; control of the polarization of the output beam by passive or active techniques.
Pour cela, la présente invention propose un dispositif laser monomode de puissance entièrement fibré et permettant de convertir une source multimodes en un faisceau monomode de puissance. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif laser monomode de puissance comportant un tronçon fibré d'entrée comprenant une ou plusieurs fibres optiques amplificatrices destinées à amplifier un faisceau optique incident multimodes, un tronçon fibré de conversion comprenant une fibre optique destinée à la conversion du faisceau optique incident multimodes en un faisceau monomode de puissance, un tronçon fibré intermédiaire comprenant une fibre optique permettant au faisceau optique incident multimode de se propager vers le tronçon fibré de conversion, caractérisé en ce que : le tronçon fibré de conversion comporte une fibre optique passive à gradient d'indice, ladite fibre optique passive présentant une longueur telle que par effet Brillouin le dispositif génère par réflexion du faisceau optique incident multimodes, un faisceau optique monomode de puissance ; le tronçon fibré d'entrée et le tronçon fibré intermédiaire comportent respectivement au moins une première fibre et une seconde fibre comprenant des coeurs de fibre en contact de manière à transmettre le faisceau optique incident multimodes dans le tronçon fibré de conversion ; le tronçon fibré intermédiaire comportant une extrémité libre constituant la sortie pour un faisceau monomode de puissance du dispositif ; Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibré intermédiaire est composé d'une fibre à saut d'indice à double coeur dont le grand coeur est adapté au diamètre et à l'ouverture numérique du coeur de la fibre à gradient d'indice composant le tronçon fibré de conversion, et dont le petit coeur est adapté à la taille du faisceau réfléchi monomode crée par effet Brillouin dans la fibre passive à gradient d'indice. Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibré de conversion et le tronçon fibré intermédiaire sont composés de la même fibre passive à gradient d'indice. Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibré d'entrée comporte plusieurs fibres amplificatrices destinées à amplifier des faisceaux optiques monomodes et susceptibles de constituer par combinaison le faisceau optique incident multimode. For this purpose, the present invention provides a fully fiber-optic single-mode laser device for converting a multimode source into a single-mode power beam. More precisely, the subject of the invention is a single-mode power laser device comprising an input fiber-bundle section comprising one or more amplifying optical fibers intended to amplify a multimode incident optical beam, a fiber-conversion section comprising an optical fiber intended for conversion. the multimode incident optical beam into a single-mode power beam, an intermediate fiber-optic section comprising an optical fiber enabling the multimode incident optical beam to propagate towards the conversion fiber-bundle, characterized in that: the fiber-conversion section comprises an optical fiber index gradient passive signal, said passive optical fiber having a length such that by Brillouin effect the device generates by reflection of the multimode incident optical beam, a monomode optical power beam; the input fiber section and the intermediate fiber section respectively comprise at least a first fiber and a second fiber comprising fiber cores in contact so as to transmit the multimode incident optical beam in the fiber-conversion section; the intermediate fiber bundle having a free end constituting the output for a monomode power beam of the device; A variant of this device is characterized in that the intermediate fibered section is composed of a double core index jump fiber whose large core is adapted to the diameter and the numerical aperture of the core of the gradient fiber. index comprising the fiber-conversion section, and whose small core is adapted to the size of the single-mode reflected beam created by the Brillouin effect in the passive index gradient fiber. A variant of this device is characterized in that the fiber conversion section and the intermediate fiber section are composed of the same passive index gradient fiber. A variant of this device is characterized in that the fiber input section comprises several amplifying fibers intended to amplify single-mode optical beams and capable of constituting by combination the multimode incident optical beam.
Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibré d'entrée comporte une fibre amplificatrice unique destinée à amplifier un faisceau optique incident multimodes. Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le tronçon fibré d'entrée comporte plusieurs fibres amplificatrices destinées à amplifier des faisceaux optiques multimodes et susceptibles de constituer par combinaison le faisceau optique incident multimodes. Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le coeur de la fibre passive à gradient d'indice est composé de silice (SiO2). Une variante de ce dispositif est caractérisée en ce que le coeur de la fibre passive à gradient d'indice est composé de chalcogénure (As2S3, par exemple). L'invention a aussi pour objet un système d'amplification monomode de puissance comportant le dispositif laser monomode de puissance et un oscillateur de référence monomode fibré générant un faisceau monomode de fréquence vo, caractérisé en ce que : - il comporte un coupleur fibré monomode permettant de diviser le faisceau monomode de fréquence vo en un premier et un second faisceaux optiques ; le premier faisceau optique généré par l'oscillateur de référence monomode fibré étant amplifié de manière à obtenir un faisceau multimode de puissance et introduit à l'entrée du dispositif laser monomode de puissance ; - le second faisceau optique généré par l'oscillateur de référence monomode fibré étant décalé à la fréquence vo + SvE; afin de tenir compte du décalage Brillouin SvB ; le second faisceau optique ainsi décalé en fréquence étant transmis au dispositif laser monomode de puissance par son entrée. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un préamplificateur à fibre, un isolateur fibré, un amplificateur à fibre multimode afin d'amplifier le premier des deux faisceaux optiques généré par l'oscillateur de référence monomode fibré. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un modulateur de fréquence permettant de décaler fréquenciellement le second des deux faisceaux optiques généré par l'oscillateur de référence monomode fibré à la fréquence vo + SvB. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un contrôleur de polarisation connecté à l'entrée du dispositif laser monomode de puissance. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'une fibre est connectée en sortie du modulateur de fréquence, ladite fibre comportant une courbure périodique, la longueur d'onde de ladite courbure etant choisie de telle manière à ce que les modes qui ne sont pas affectés par la courbure sont éliminés par couplage. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'il comporte un premier circuit de contre-réaction permettant d'adapter la sortie du modulateur aux variations du décalage de Brillouin intervenant dans la fibre passive à gradient d'indice du dispositif laser monomode de puissance. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance selon la revendication est caractérisée en ce que le premier circuit de contre-réaction comporte une lame faiblement réfléchissante et une photodiode. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce qu'elle comporte un second circuit de contre-réaction permettant d'améliorer la polarisation du faisceau optique à la sortie du dispositif laser monomode de puissance. Une variante de ce système d'amplification monomode de puissance est caractérisée en ce que le second circuit de contre-réaction comporte un polariseur, une photodiode et un contrôleur de polarisation. A variant of this device is characterized in that the fiber input section comprises a single amplifying fiber for amplifying a multimode incident optical beam. A variant of this device is characterized in that the fiber input section comprises a plurality of amplifying fibers intended to amplify multimode optical beams and capable of constituting by combination the multimode incident optical beam. A variant of this device is characterized in that the core of the gradient index passive fiber is composed of silica (SiO2). A variant of this device is characterized in that the core of the graded index passive fiber is composed of chalcogenide (As2S3, for example). The invention also relates to a single-mode power amplification system comprising the single-mode power laser device and a fiber-mode single-mode reference oscillator generating a monomode beam of frequency vo, characterized in that: it comprises a monomode fiber coupler allowing dividing the monomode beam of frequency vo into first and second optical beams; the first optical beam generated by the fiber-based single-mode reference oscillator being amplified to obtain a multimode power beam and introduced to the input of the single-mode power laser device; the second optical beam generated by the fiber-based monomode reference oscillator being shifted at the frequency vo + SvE; to account for Brillouin SvB offset; the second optical beam thus shifted in frequency being transmitted to the monomode power laser device by its input. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises at least one fiber preamplifier, a fiber isolator, a multimode fiber amplifier in order to amplify the first of the two optical beams generated by the oscillator. monomode fiber reference. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a frequency modulator for frequency shifting the second of the two optical beams generated by the monomode reference oscillator fiber at the frequency vo + SvB. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a polarization controller connected to the input of the single-mode power laser device. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that a fiber is connected at the output of the frequency modulator, said fiber having a periodic curvature, the wavelength of said curvature being chosen in such a way that modes that are not affected by the curvature are eliminated by coupling. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a first feedback circuit making it possible to adapt the output of the modulator to variations in the Brillouin shift occurring in the passive gradient-index fiber. of the single-mode laser power device. A variant of this single-mode power amplifier system according to the claim is characterized in that the first feedback circuit comprises a weakly reflecting plate and a photodiode. A variant of this single-mode power amplification system is characterized in that it comprises a second feedback circuit for improving the polarization of the optical beam at the output of the single-mode power laser device. A variant of this single-mode power amplifier system is characterized in that the second feedback circuit comprises a polarizer, a photodiode and a polarization controller.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la decription qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre une première variante de dispositif laser selon l'invention ; - la figure 2 illustre une seconde variante de dispositif laser selon l'invention ; la figure 3 illustre une troisième variante de dispositif laser selon l'invention ; la figure 4 illustre une première variante de système d'amplification monomode de puissance ; la figure 5 illustre une seconde variante de système d'amplification monomode de puissance ; la figure 6 illustre le concept de filtrage modal par courbure périodique ; la figure 7 illustre une troisième variante de système d'amplification monomode de puissance. The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended figures in which: FIG. 1 illustrates a first variant of a laser device according to the invention; FIG. 2 illustrates a second variant of a laser device according to the invention; FIG. 3 illustrates a third variant of a laser device according to the invention; FIG. 4 illustrates a first variant of a single-mode power amplifier system; FIG. 5 illustrates a second variant of a single-mode power amplifier system; FIG. 6 illustrates the concept of modal filtering by periodic curvature; FIG. 7 illustrates a third variant of a single-mode power amplifier system.
Une première variante de l'invention est illustrée par la figure 1, le dispositif comprend un tronçon fibré d'entrée 1 composé d'une fibre adaptée à la propagation d'un faisceau optique multimodes 2 comprenant une gaine 10 et un coeur 11. Cette variante comprend en outre un tronçon fibré de conversion 4 composé d'une fibre passive à gradient d'indice 5 comprenant une gaine 6 et un coeur 7 et réalisant la conversion de mode par effet Brillouin et un tronçon fibré intermédiaire 9 composé d'une fibre optique pour atteindre le tronçon fibré de conversion 4. Un faisceau optique incident multimodes présenté à l'entrée 17 du dispositif se propage alors dans le tronçon fibré d'entré 1, puis dans le tronçon fibré intermédiaire 9 pour atteindre le tronçon fibré de conversion 4. La réflexion par effet Brillouin de l'onde incidente génère un faisceau optique monomode de puissance quittant le dispositif par la sortie 13. II faut noter qu'un faisceau optique peut également être introduit par l'extrémité 12 du dispositif. Ce point sera explicité plus tard dans la description. La longueur du tronçon fibré de conversion 4 composé d'une fibre passive à gradient d'indice 5 est choisie suffisamment grande pour que le seuil de l'effet Brillouin soit franchi. Cette longueur peut être, par exemple, de plusieurs mètres. Une propriété remarquable de l'effet Brillouin clans une fibre à gradient d'indice suffisamment longue est que l'onde réfléchie (dite onde Stokes) créée dans la fibre à gradient d'indice dans le sens de propagation inverse à celui de l'onde incidente (l'onde incidente 3 est celle qui entre dans la fibre 2 par son extrémité 17 pour se propager ensuite dans la fibre à gradient d'indice 5), est un mode unique de la fibre, alors que l'onde incidente est multimode. Le choix d'un profil à gradient d'indice pour la fibre passive 4 est donc motivé par le fait que lors du phénomène de réflexion Brillouin, le mode fondamental est privilégié. En effet, il a été souligné dans l'article de L. Lombard, A. Brignon, J.-P. Huignard et E. Lallier intitulé Beam cleanup in a self-aligned gradient-index Brillouin cavity for high-power multimode fiber amplifiers, Optics letters / Vol. 31, N°. 2 / 15 janvier 2006, que lorsque que l'on introduit une onde optique multimodes dans une fibre passive à gradient d'indice, le gain de réflectivité Brillouin est maximisé pour le mode fondamental de la fibre. II a été précédement décrit que le dispositif au coeur de cette invention permet de convertir une source multimodes en une source monomode de puissance. La figure 1 illustre un exemple dans lequel un faisceau optique multimodes 3 est introduit dans le dispositif dans un tronçon fibré d'entrée 1 composé d'une fibre multimodes 2 afin de constituer un source optique multimode. Les tronçons 4 et 9 sont réalisés au sein d'une même fibre caractérisée par un profil à gradient d'indice. En mettant en contact le coeur de la ou des fibres composants le tronçon d'entrée 1 avec le coeur de la fibre composant le tronçon intermédiaire 9, il se peut que le profil d'indice de la fibre composant le tronçon intermédiaire 9 soit altéré et donc que la transmission monomode générée par effet Brillouin soit perturbée. Dans ce cas, et comme cela est montré figure 2, il peut être judicieux d'utiliser une fibre à saut d'indice 22 à double coeur dont le grand coeur 20 est adapté au diamètre et à l'ouverture numérique du coeur 7 de la fibre à gradient d'indice 5 constitutive du tronçon de conversion. Le petit coeur 21, est adapté à la propagation du faisceau monomode créé par effet: Brillouin dans la fibre à gradient d'indice 5. La fibre à saut d'indice 22 est simplement soudée ou connectorisée à la fibre à gradient d'indice 5. Le concept de couplage adiabatique entre les deux types de fibres peut également être utilisé en réalisant une opération d'étirement sur une extrémité de la fibre à saut d'indice ou sur la zone intermédiaire de couplage entre les structures fibrées à saut d'indice et à gradient d'indice. Afin de minimiser les pertes en transmission entre la fibre à saut d'indice 22 (appelée également à échelon d'indice ) et la fibre à gradient d'indice 5, il est possible d'optimiser les paramètres opto-géométriques de ces deux structures. Le nombre de modes pouvant être véhiculés par une fibre optique fortement multimode s'exprime via la relation : N = a azk2n, A a+2 où a caractérise la distribution du gradient d'indice du coeur de la fibre, a est le rayon du coeur, n1 est l'indice de réfraction optique du matériau de coeur, n2 est l'indice de réfraction de la gaine optique et 0 est la différence d'indice relative (0 = n, û n2 ) n, A partir de cette relation définissant le nombre de modes pouvant être excités et en considérant les paramètres a= o. (caractérisant une fibre à saut d'indice) et a= 2 (caractérisant une fibre à gradient d'indice), on observe que pour des paramètres opto-géométriques identiques, les pertes en transmission sont de 3dB. Une alternative répandue consiste à utiliser une fibre à gradient satisfaisant à la règle de conservation du nombre de modes, ce qui revient à employer une fibre multimode à gradient d'indice présentant une différence d'indice relative deux fois plus élevée que celle qui caractérise la fibre multimode à saut d'indice. Cette remarque doit être cependant tempérée si la propriété de filtrage modal propre à l'association d'une fibre à saut d'indice et d'une fibre à gradient d'indice est utilisée. A first variant of the invention is illustrated in FIG. 1, the device comprises an input fiber-bundle section 1 composed of a fiber adapted to the propagation of a multimode optical beam 2 comprising a sheath 10 and a core 11. variant also comprises a fiber-conversion section 4 composed of a graded index passive fiber 5 comprising a sheath 6 and a core 7 and performing the Brillouin mode mode conversion and an intermediate fiber-bundle section 9 composed of a fiber An optical multimode incident beam presented at the input 17 of the device then propagates in the entered fiber section 1, then in the intermediate fiber section 9 to reach the fiber conversion section 4. The Brillouin reflection of the incident wave generates a single-mode optical beam of power leaving the device through the output 13. It should be noted that an optical beam can also be introduced by the end 12 of the device. This point will be explained later in the description. The length of the conversion fiber bundle 4 composed of a graded index passive fiber 5 is chosen to be large enough for the threshold of the Brillouin effect to be crossed. This length can be, for example, several meters. A remarkable property of the Brillouin effect in a sufficiently long index gradient fiber is that the reflected wave (called Stokes wave) created in the index gradient fiber in the direction of propagation opposite to that of the wave. incident (the incident wave 3 is that which enters the fiber 2 by its end 17 to then propagate in the index gradient fiber 5), is a unique mode of the fiber, whereas the incident wave is multimode . The choice of a gradient index profile for the passive fiber 4 is therefore motivated by the fact that during the Brillouin reflection phenomenon, the fundamental mode is preferred. Indeed, it was pointed out in the article by L. Lombard, A. Brignon, J.-P. Huignard and E. Lallier entitled Beam cleanup in a self-aligned gradient-index Brillouin cavity for high-power multimode fiber amplifiers , Optics letters / Vol. 31, No. January 2/15, 2006, that when a multimode optical wave is introduced into a graded index passive fiber, the Brillouin reflectivity gain is maximized for the fundamental mode of the fiber. It has been previously described that the device at the heart of this invention makes it possible to convert a multimode source into a single-mode source of power. FIG. 1 illustrates an example in which a multimode optical beam 3 is introduced into the device in an input fiber bundle 1 composed of a multimode fiber 2 in order to constitute a multimode optical source. The sections 4 and 9 are made within a single fiber characterized by a graded index profile. By contacting the core of the fiber or fibers of the input section 1 with the core of the fiber constituting the intermediate section 9, the index profile of the fiber comprising the intermediate section 9 may be altered and so that the monomode transmission generated by the Brillouin effect is disturbed. In this case, and as shown in FIG. 2, it may be judicious to use a double-core index jump fiber 22 whose large core 20 is adapted to the diameter and the numerical aperture of the core 7 of the Index gradient fiber constituting the conversion section. The small core 21 is adapted to the propagation of the monomode beam created by the effect: Brillouin in the index gradient fiber 5. The index jump fiber 22 is simply soldered or connectorized to the index gradient fiber 5 The concept of adiabatic coupling between the two types of fibers can also be used by performing a stretching operation on one end of the index jump fiber or on the intermediate coupling zone between the index jump fiber structures. and index gradient. In order to minimize the transmission losses between the index jump fiber 22 (also referred to as the index step) and the index gradient fiber 5, it is possible to optimize the opto-geometric parameters of these two structures. . The number of modes that can be conveyed by a highly multimode optical fiber is expressed via the relation: N = a azk2n, A a + 2 where has characterized the distribution of the index gradient of the core of the fiber, a is the radius of the core, n1 is the optical refractive index of the core material, n2 is the refractive index of the optical cladding and 0 is the relative index difference (0 = n, n2) n, from this relation defining the number of modes that can be excited and considering the parameters a = o. (Characterizing an index jump fiber) and a = 2 (characterizing a gradient index fiber), it is observed that for identical opto-geometric parameters, the transmission losses are 3dB. A common alternative is to use a gradient fiber that satisfies the number of mode conservation rule, which is equivalent to employing a multimode index gradient fiber having a relative index difference twice as high as Multimode fiber with index jump. This remark should be tempered, however, if the modal filtering property of the combination of index jump fiber and index gradient fiber is used.
Afin de générer la source optique multimodes appliquée en entrée du dispositif, une source optique multimode peut être utilisée comme c'est le cas pour les exemples des figures 1 et 2. In order to generate the multimode optical source applied at the input of the device, a multimode optical source can be used as is the case for the examples of FIGS. 1 and 2.
Une alternative est d'utiliser plusieurs sources monomodes. Dans ce cas, le dispositif laser monomode de puissance est adapté en conséquence, et ce en sélectionnant une configuration appropriée du tronçon fibré d'entrée 1. Un configuration possible est illustrée grâce à l'exemple présenté figure 3. Dans cet exemple, la source optique multimodes est générée par combinaison de deux faisceaux optiques monomodes 31 et 3:2. Le tronçon fibré d'entrée 1 est composé dans ce cas de deux fibres monomodes 33 et 34. Differentes configurations du tronçon fibré d'entrée 1 peuvent être choisies de manière à s'adapter au nombre de sources monomodes nécéssaires à la génération de la source multimodes désirée. Afin que le faisceau optique incident entrant dans le dispositif puisse se propager dans le tronçon fibré de conversion 4, deux modes de réalisations peuvent être envisagés dans le but de mettre en contact le ou les coeurs du tronçon fibré d'entrée 1 avec le coeur du tronçon fibré intermédiaire 9. Dans un premier mode de réalisation, la ou les fibres constitutives du tronçon fibré d'entrée 1 sont soudées à la fibre du tronçon fibré intermédiaire 9. On notera que pour simplifier la représentation du dispositif sur les figures 1 à 3, seul ce mode de réalisation a été considéré. Les tronçons 1 et 9 étant constitués de fibres différentes, aucune isolation optique n'est nécessaire. Un second mode de réalisation est de mettre en contact le coeur de la ou des fibres composant le tronçon fibré d'entrée 1 avec le coeur de la fibre composant le tronçon fibré intermédiaire 9 en utilisant la technique de fusion de fibre, procédé bien connu, de manière à ce qu'une onde évanescente apparaisse et puisse être transmise du tronçon fibré d'entrée 1 au tronçon fibré intermédiaire 9 puis au tronçon fibré de conversion 4. Par ailleurs, la réflectivité Brillouin R est directement liée au gain Brillouin g, à l'intensité d'entrée I et à la longueur L de la fibre à gradient d'indice 5 composant le tronçon fibré de conversion 4 par la formule R=gxlxL. Le gain Brillouin g étant propre à la matière constituante du coeur de la fibre à gradient d'indice 5, on peut influer sur sa réflectivité en sélectionnant le matériau constituant la fibre. Ainsi, on peut choisir d'utiliser une fibre à gradient d'indice avec un coeur en Silice (SiO2) ou bien un coeur en chalcogénure (As2S3) pour obtenir un gain Brillouin plus important. Ces fibres dotées d'un coeur en chalcogénure présentent un indice de réfraction plus élevé que celui associé à la silice. Par ailleurs, l'indice de réfraction non linéaire (appelé habiltuellement indice de Kerr) est élevé ce qui peut affecter de manière positive la génération du processus Brillouin mais rendre le seuil d'endommagement optique plus faible ou générer un spectre étendu par auto-modulation de phase. An alternative is to use several single-mode sources. In this case, the single-mode power laser device is adapted accordingly, and this by selecting an appropriate configuration of the input fibular section 1. A possible configuration is illustrated by means of the example shown in FIG. 3. In this example, the source Multimode optics is generated by combining two single-mode 31 and 3: 2 optical beams. The input fiber bundle 1 is composed in this case of two monomode fibers 33 and 34. Different configurations of the input fiber bundle 1 may be chosen so as to adapt to the number of monomode sources required for generating the source. multimode desired. In order for the incident optical beam entering the device to propagate in the fiber-conversion section 4, two embodiments can be envisaged in order to put the heart or hearts of the input fiber bundle 1 into contact with the heart of the Intermediate bundle 9 In a first embodiment, the constituent fiber (s) of the input fiber bundle 1 are welded to the fiber of the intermediate bundle section 9. It will be noted that to simplify the representation of the device in FIGS. only this embodiment has been considered. The sections 1 and 9 being made of different fibers, no optical isolation is necessary. A second embodiment is to bring the core of the fiber (s) making up the input fiber bundle 1 into contact with the core of the fiber composing the intermediate fiber bundle 9 by using the fiber fusion technique, a well-known method. so that an evanescent wave appears and can be transmitted from the input fiber section 1 to the intermediate fiber section 9 and then to the fiber-conversion section 4. Furthermore, the Brillouin reflectivity R is directly related to the Brillouin gain g, the input intensity I and the length L of the graded index fiber 5 constituting the fiber-conversion section 4 by the formula R = gxlxL. Since the Brillouin gain g is specific to the constituent material of the core of the index gradient fiber 5, its reflectivity can be influenced by selecting the material constituting the fiber. Thus, one can choose to use an index gradient fiber with a silica core (SiO2) or a chalcogenide core (As2S3) to obtain a larger gain Brillouin. These fibers with a chalcogenide core have a higher refractive index than that associated with silica. Moreover, the non-linear refractive index (called Kerr index) is high, which can positively affect the generation of the Brillouin process but make the threshold of optical damage weaker or generate an extended spectrum by auto-modulation. phase.
Le dispositif laser monomode de puissance, dont plusieurs variantes ont été décrites avec le support des figures 1 à 3, peut être utilisé au sein d'un système d'amplification monomode de puissance. Ce système d'amplification et ses variantes sont illustrés par les figures 4, 5 et 7. Afin de maintenir la largeur spectrale de l'oscillateur de référence, on peut injecter au niveau de l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance une petite partie du faisceau monomode issue de l'oscillateur de référence 41 et décalé en fréquence du décalage Brillouin (environ 10 GHz). Une première variante dudit système est représentée sur la figure 4. Le dispositif laser monomode de puissance 40 est soudé aux autres fibres intervenant dans l'architecture de système. La source complète est composée d'un oscillateur de référence monomode fibré 41. La sortie de l'oscillateur est divisée en deux faisceaux 50 et 51 au moyen d'un coupleur fibré monomode. Une partie est amplifiée au moyen de préamplificateurs fibrés pompés par diodes lasers 42 suivi d'un isolateur fibré 43. La forte énergie est finalement obtenue par un dernier étage amplificateur utilisant une fibre fortement multimodes 44. La sortie de cette fibre est soudée à l'entrée 17 du dispositif laser monomode de puissance 40. L'autre partie de l'oscillateur de référence est décalée en fréquence du décalage Brillouin SvB au moyen d'un modulateur 45. La sortie du modulateur 45 est reliée à l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance 40 et les différents éléments de cette branche sont reliés grâce des fibres monomodes 46. Le faisceau monomode obtenu à partir du faisceau multimode est ensuite récupéré au niveau de la sortie 13 du dispositif au niveau de laquelle un collimateur 47 est positionné. Comme le montre la figure 5, le système d'amplification précédemment décrit peut être amélioré en contrôlant la polarisation du faisceau grâce à un contrôleur de polarisation fibré 48 qui peut utiliser avantageusement de la céramique PLZT (Dispositif de contrôle dynamique de la polarisation d'une onde optique et procédé de fabrication du dispositif, brevet Thales n° 02 15994). La sortie monomode en résultant est reliée à l'entrée 12 du dispositif laser monomode de puissance 40. Le faisceau monomode obtenu à partir du faisceau multimode dépolarisé est ensuite récupéré au niveau de la sortie 13 du dispositif laser monomode de puissance 40. Il est à noter qu'en choisissant la polarisation adéquate au niveau du contrôleur de polarisation, il est possible d'obtenir un faisceau polarisé linéairement en sortie du système. A la place du contrôleur de polarisation, on peut également envisager d'appliquer une contrainte périodique de période bien adaptée sur la fibre à gradient d'indice pour favoriser une polarisation linéaire. En effet, l'application d'une courbure à une fibre optique induit un couplage des modes guidés avec le continuum des modes rayonnants. Dans une fibre optique parfaitement symétrique axialement et dans un plan transverse, on peut décomposer tous les états propres (modes) selon deux fonctions propres (états de polarisation). Sous l'effet d'une micro-courbure, le profil d'indice se trouve modifié dans le plan d'application de la courbure. Comme illustré figure 6, la mise en oeuvre d'une courbure périodique sur une fibre 71 permet de coupler préférentiellement les modes dans un état de polarisation au continuum à la condition que l'orientation des axes x-y soient conservés. Sous l'effet de la courbure, cette modification du profil d'indice se traduit par une modification de l'espacement entre deux modes adjacents dans l'espace de phase. Par application d'une micro-courbure périodique, le couplage entre modes adjacents est favorisé. Ainsi, l'application d'une perturbation périodique avec une longueur d'onde 70 correctement choisie favorisera l'élimination par couplage des modes qui ne sont pas affectés par la courbure. Ce filtrage modal s'accompagnera d'une sélection d'un état de polarisation linéaire. Une variante de ce système est présentée en figure 7 et inclut un contrôle actif de la polarisation et du décalage en fréquence. En effet les perturbations thermiques du système peuvent provoquer des variations de la polarisation du faisceau de sortie ou des variations d'énergie provoquées par des fluctuations de la fréquence de décalage Brillouin. Pour éviter ces fluctuations, on place à la sortie du système une lame faiblement réfléchissante (0,1%) 65 pour prélever une petite partie du faisceau. La photodiode 64 permet de contrôler la puissance du faisceau. On maximise cette puissance en ajustant au moyen d'une boucle électronique de contre-réaction 63 le décalage en fréquence introduit par le modulateur 45. De la même façon, la photodiode 61 est placée sur la composante de polarisation orthogonale à celle que l'on cherche à obtenir grâce à un polariseur 60. On ajuste le contrôleur de polarisation 48 grâce à une boucle de contre-réaction 62 pour minimiser le signal sur la photodiode 61. The single-mode power laser device, several variants of which have been described with the support of FIGS. 1 to 3, can be used within a single-mode power amplifier system. This amplification system and its variants are illustrated in FIGS. 4, 5 and 7. In order to maintain the spectral width of the reference oscillator, it is possible to inject a small amount of power at the input 12 of the single-mode laser device. part of the monomode beam from the reference oscillator 41 and frequency shifted Brillouin shift (about 10 GHz). A first variant of said system is shown in FIG. 4. The single-mode laser power device 40 is soldered to the other fibers involved in the system architecture. The complete source is composed of a fibered single-mode reference oscillator 41. The output of the oscillator is divided into two beams 50 and 51 by means of a single-mode fiber coupler. A part is amplified by means of laser diode pumped preamplifiers 42 followed by a fiber isolator 43. The high energy is finally obtained by a last amplifier stage using a highly multimode fiber 44. The output of this fiber is soldered to the input 17 of the single-mode laser power device 40. The other part of the reference oscillator is shifted in frequency Brillouin shift SvB by means of a modulator 45. The output of the modulator 45 is connected to the input 12 of the device single-mode power laser 40 and the various elements of this branch are connected by monomode fibers 46. The single-mode beam obtained from the multimode beam is then recovered at the output 13 of the device at which a collimator 47 is positioned. As shown in FIG. 5, the amplification system described above can be improved by controlling the polarization of the beam by means of a fiber polarization controller 48 which can advantageously use PLZT ceramic (device for the dynamic control of the polarization of a beam). optical wave and method of manufacturing the device, Thales patent No. 02 15994). The resulting monomode output is connected to the input 12 of the single-mode laser power device 40. The single-mode beam obtained from the depolarized multimode beam is then recovered at the output 13 of the single-mode power laser device 40. note that by choosing the appropriate polarization at the polarization controller, it is possible to obtain a linearly polarized beam at the output of the system. In place of the polarization controller, it is also conceivable to apply a well-adapted periodic period stress on the index gradient fiber to promote linear polarization. Indeed, the application of a curvature to an optical fiber induces a coupling of the guided modes with the continuum of the radiating modes. In an optical fiber that is perfectly symmetrical axially and in a transverse plane, all the eigenvalues (modes) can be decomposed according to two eigenfunctions (polarization states). Under the effect of a micro-curvature, the index profile is modified in the plane of application of the curvature. As illustrated in FIG. 6, the implementation of a periodic curvature on a fiber 71 makes it possible to preferentially couple the modes in a state of polarization to the continuum provided that the orientation of the x-y axes is retained. Under the effect of curvature, this change in the index profile results in a change in the spacing between two adjacent modes in the phase space. By applying a periodic micro-curvature, the coupling between adjacent modes is favored. Thus, the application of a periodic disturbance with a correctly chosen wavelength 70 will favor the coupling elimination of modes that are not affected by the curvature. This modal filtering will be accompanied by a selection of a linear polarization state. A variation of this system is shown in Fig. 7 and includes active control of bias and frequency shift. Indeed, the thermal disturbances of the system can cause variations in the polarization of the output beam or energy variations caused by fluctuations in the Brillouin shift frequency. To avoid these fluctuations, a weakly reflecting (0.1%) plate 65 is placed at the exit of the system to take a small part of the beam. The photodiode 64 makes it possible to control the power of the beam. This power is maximized by adjusting by means of an electronic feedback loop 63 the frequency offset introduced by the modulator 45. In the same way, the photodiode 61 is placed on the polarization component orthogonal to that which one seeks to obtain through a polarizer 60. The polarization controller 48 is adjusted by a feedback loop 62 to minimize the signal on the photodiode 61.
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