Laser ultrabref à fibre optique opérant à 2 µm

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Laser ultrabref à fibre optique opérant à 2 µm
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Physique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
Le département Photonique est un groupe d’une quarantaine de chercheurs (permanents, doctorants et post-doctorants) qui développent de nouvelles fibres optiques, de nouvelles sources laser, de nouveaux instruments de mesures et d’imagerie, de nouveaux composants et systèmes optiques et optoélectroniques.

Résumé de la thèse en français
Cette thèse de doctorat vise à développer des architectures innovantes de lasers ultrabrefs de forte puissance à la longueur d’onde non conventionnelle de 2 µm. Cette thèse sera effectuée à XLIM en collaboration avec le CORIA et l’IRCICA. Ces trois laboratoires sont spécialisés dans l’élaboration de fibres optiques spéciales et de lasers de puissance à fibres. De plus, les systèmes conçus et développés durant la thèse feront l’objet d’un transfert de technologie vers NOVAE, une jeune entreprise de la Région Limousin. La mise au point de ces lasers inédits repose sur deux voies parallèles: un oscillateur basse-puissance (i) suivi d’un étireur puis amplifié dans des fibres à grande aire modale ou (ii) suivi d’un amplificateur parabolique utilisant des fibres optiques spéciales à gestion de dispersion.

Résumé de la thèse en anglais
This PhD thesis aims at developing innovative ways towards the realization of high-power ultrafast laser systems at the exotic wavelength of 2 µm. The PhD will be conducted at XLIM in collaboration with CORIA and IRCICA. The three laboratories have expertise in design and fabrication of rare-earth-doped and dispersion-tailored optical fibers and femtosecond oscillators and amplifiers. Furthermore, the findings will be transferred to the company NOVAE, a spin-off of the university of Limoges. To build high-energy lasers at 2 µm, we propose two approaches: a low-power oscillator followed by (i) a stretcher and a power amplifier or (ii) a parabolic amplifier based on specialty dispersion-tailored active fibers.

Description complète du sujet de thèse
Les lasers ultrabrefs sont de plus en plus fondés sur les technologies à fibre optique en raison d’avantages tels que la compacité, la stabilité même à forte puissance moyenne, et le peu de maintenance que requièrent des systèmes intégrés monolithiques. Les besoins industriels et scientifiques ont conduit à une augmentation considérable de la puissance délivrée par ces lasers. Ce développement impressionnant a concerné essentiellement les lasers à fibre optique dopée à l’ytterbium. Pourtant le développement de lasers de puissance dans une région spectrale de sécurité rétinienne pourrait trouver des débouchés dans l’industrie ou la métrologie, en rendant ces lasers plus simples dans leur mise en œuvre source Photonic 21 (2010)]. L’ion Tm est particulièrement attractif dans ce contexte en raison de sa grande efficacité et de son spectre de fluorescence couvrant la gamme spectrale de 1,85 à 2,1 µm.
Jusqu’à maintenant les lasers ultrabrefs à fibre Tm n’ont pas révélé tout leur potentiel en raison, d’une part, de l’absence d’étireurs et de compresseurs à haut rendement, empêchant le plein développement à 2 µm de la technique d’amplification à dérive de fréquence (CPA) et, d’autre part, de la dispersion anormale des fibres de silice, prévenant l’exploitation du régime d’amplification parabolique. Les performances des lasers ultrabrefs à 2 µm sont ainsi cantonnées (en 2013) à des énergies raisonnables de l’ordre de 1 µJ, bien inférieures à ce qui est couramment atteint à 1 µm à l’aide de fibres à grande aire modale dopées à l’ytterbium: quelques µJ dans le régime parabolique, quelques mJ en CPA. Cette thèse vise à explorer deux nouvelles approches compatibles avec l’amplification à haute puissance d’impulsions ultrabrèves à 2 µm.

Objectifs scientifiques de la thèse
La première approche inclut le développement d’un oscillateur solitonique (donc basse puissance) dont les impulsions seront allongées dans un étireur à fibre puis amplifiées dans une fibre à grande surface modale. Le premier objectif de cette thèse consistera donc à concevoir, fabriquer et caractériser une fibre passive présentant une forte dispersion afin de réaliser l’étireur. Le candidat s’appuiera sur les développements en la matière menés à XLIM depuis une dizaine d’années dans le domaine des télécoms. Les impulsions très longues seront ensuite amplifiées dans des fibres microstructurées «tout-solide» dopées au Tm et à très grande surface modale en cours de développement à XLIM par la voie «sol-gel» dans le cadre d’une autre thèse.
La seconde voie consiste à fabriquer un amplificateur parabolique. Il est bien connu que l’amplification parabolique a lieu dans une fibre active et nonlinéaire en régime de dispersion normale. Cette technique et donc proche de la technique CPA à l’exception notable que l’étirement et l’amplification sont distribués dans une seule et même fibre. Dans un tel amplificateur l’énergie extraite dépend du carré de la dispersion, ce qui laisse augurer un potentiel d’accroissement sous condition que l’on puisse atteindre une forte valeur de dispersion normale à 2 µm. Nos calculs préliminaires, fondés sur les performances que nous avons déjà démontrées dans des fibres passives, montrent qu’atteindre la barrière des 100 microJoules d’énergie devient possible grâce à la gestion simultanée de ces trois paramètres clés, dans une seule fibre. Jusqu’à présent, la montée en énergie dans ces amplificateurs s’est heurtée à l’absence de fibres appropriées, tant à 1 µm qu’à 2 µm. Le second défi scientifique de cette thèse consiste donc à développer de nouvelles fibres amplificatrices dans lesquelles la dispersion de guide atteint des valeurs très élevées, contrecarrant l’effet de la dispersion du matériau. Atteindre 10µJ dans le cadre de cette thèse serait déjà un résultat de premier niveau.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de cette thèse, le ou la candidat(e) aura développé des compétences en physique de la propagation guidée et en physique des lasers et aura permis d’approfondir notre connaissance de la mise en forme d’impulsions dans des lasers intégrant de forts effets de guidage. Il ou elle aura aussi appris à fabriquer des lasers ultrabrefs de puissance dans le contexte d’un transfert de technologie vers un industriel. Il ou elle aura participé à la rédaction d’articles scientifiques et aura présenté ses résultats lors de conférences internationales.

Mots clés (séparés par des virgules)
lasers ultrabrefs, forte puissance, 2µm, propagation guidée, gestion de la dispersion chromatique
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Sébastien Février
Adresse mail du directeur de thèse : [sebastien.fevrier@unilim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 55 45 72 41
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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