Pré-compensation thermique de fibres actives de nouvelle génération pour la montée en puissance des sources laser à 2 µm

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Pré-compensation thermique de fibres actives de nouvelle génération pour la montée en puissance des sources laser à 2 µm
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement organisme (CNRS, DGA, ESA, CNES, ADEME, …)
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
La thèse proposée se déroulera à Limoges au sein de l’institut de recherche XLIM (www.xlim.fr) qui est une Unité Mixte de Recherche (UMR n°7252) entre le CNRS et l’Université de Limoges (effectif de 450 personnes). Le laboratoire XLIM a été noté A+ lors de sa dernière évaluation par l’AERES et a été labellisé laboratoire d’excellence avec le laboratoire SPCTS au travers du labex Sigma-Lim. Le laboratoire XLIM est au cœur du pôle de compétitivité ELOPSYS dont il est membre fondateur.
Date Limite de candidature : 31/03/2014
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe de recherche d’accueil («Equipe photonique fibre») est l’une des équipes de recherche du Département Photonique de l’institut de recherche XLIM.Cette équipe est nationalement et internationalement reconnue pour son savoir-faire et son expertise dans la modélisation, la fabrication (notamment par la méthode «stack and draw») et la caractérisation de fibres optiques de nouvelle génération. L’équipe de recherche d’accueil est fortement impliquée dans le développement de fibres optiques à cristal photonique (fibres microstructurées air/silice notamment) et plus particulièrement dans le développement de fibres à cristal photonique toute solide dopée avec des ions de terres rares pour la conception de lasers à fibres de puissance. Parmi les faits marquants, on peut citer la réalisation de la première fibre à bande interdite toute solide (fibre de Bragg) exhibant une très grande aire modale et la réalisation du premier laser fonctionnant à la longueur d’onde de 1µm intégrant une telle fibre à bande interdite toute solide dopée avec des ions ytterbium. Ces résultats ont constitué lors de leur réalisation l’état de l’art dans le domaine. En outre, l’équipe de recherche d’accueil se tourne également vers i) le développement et l’utilisation de nouvelles méthodes de fabrication de verres optiques ultra-purs et ii) la conception de sources lasers dans des bandes spectrales non conventionnelles (≥2µm). L’équipe de recherche d’accueil base notamment son expertise sur l’utilisation d’équipements spécifiques dans le domaine des fibres optiques tels que i) une tour de fibrage de 6m de haut, adaptée au tirage de fibre hors normes et ii) une tour de fibrage de 14m de haut dédiée au tirage de capillaires (briques de base d’un assemblage de préforme structurée air – silice) et aux tirages de fibres microstructurées (fibres à cristal photonique) principalement.

Résumé de la thèse en français
La montée en puissance optique dans les lasers à fibres à des longueurs d’onde proches de 1 µm (faible défaut quantique de l’ion de terre rare ytterbium mis en jeu) s’est fortement appuyée sur le développement de nouvelles architectures de fibres optiques (fibres à cristal photonique) monomodes caractérisées par des aires modales extrêmement importantes. Un des enjeux majeurs de la décennie à venir est la transposition de ce savoir-faire à des longueurs d’onde proche de 2 µm, plage spectrale où de nombreuses applications militaires et civiles seraient désireuses d’avoir accès également à de tels lasers à fibre de puissance. Toutefois, des difficultés liées notamment à des effets thermiques indésirables doivent incontestablement être surmontées. C’est dans ce contexte que s’inscrit la thèse proposée ici dont l’objectif majeur est de concevoir expérimentalement le premier système laser de puissance opérant à 2 µm basé sur une fibre optique de nouvelle génération intégrant dans son design des alternatives à ces effets thermiques.

Résumé de la thèse en anglais
The achievement of high-power fiber lasers at wavelengths close to 1 µm (due to the low quantum defect of ytterbium ions involved) is obviously based on the development of new architectures of singlemode optical fibers (photonic crystal fibers) exhibiting very large mode areas. One of the major challenges of the coming decade is the transposition of this know-how at wavelengths close to 2 µm, which is a spectral range where many military and civilian applications are in a pressing need for having such high power fiber lasers sources. However, some problems including undesirable thermal effects must undoubtedly be overcome. The PhD position proposed here is driven by this context and its main objective is to develop experimentally the first high power fiber laser system operating at 2µm based on a new generation of optical fiber whose design take into account these thermal effects.

Description complète du sujet de thèse
Au cours de la dernière décennie, d’importants efforts ont été déployés pour atteindre des niveaux de puissance sans précédent dans les systèmes lasers à base de fibres optiques actives (multi kW en régime continu). La majorité des travaux menés ont été axés sur des fibres optiques dopées avec des ions actifs ytterbium Yb3+ (λP = 0,98 µm et λS = 1,03 µm) du fait du très faible défaut quantique de ces derniers. L’énergie lumineuse étant toutefois confinée sur une surface extrêmement étroite (i. e. dans le cœur de la fibre) sur l’ensemble de la longueur de la fibre, des effets non linéaires indésirables peuvent apparaitre et altérer la qualité du faisceau laser émis. La solution la plus pertinente proposée ces dernières années a consisté à développer de nouvelles architectures de fibres (rassemblées sous la bannière PCFs pour l’anglicisme Photonic Crystal Fibers), présentant des diamètres de cœur de plus en plus grand, et donnant ainsi accès à des faisceaux laser monomodes transversalement avec des diamètres de champs de mode (MFD pour l’anglicisme Mode Field Diameter) supérieurs à 50 µm. L’expérience acquise à λS = 1 µm ouvre ainsi la voie au développement de sources lasers de très forte puissance autour de λS = 2 µm, plage de longueurs d’onde très attractive pour des applications médicales (ophtalmologie, urologie), militaires (armes lasers, contre-mesure optique dans la bande 3-5µm, imagerie active, détection de matières dangereuses dans le moyen infrarouge) et civiles (LIDARS, sécurité aéroportuaire, contrôle de parcs éoliens, détection de polluants atmosphériques) en particulier. L’ion actif utilisé ici est alors l’ion thulium Tm3+. La démonstration de la première fibre PCF dopée avec de tels ions Tm3+ émettant un rayonnement laser à λS = 1,975 µm est très récent (2011). Toutefois les fibres dopées aux ions de terres rares Tm3+ sont pompées optiquement à λP = 0,793 µm, ce qui leur confère un défaut quantique très grand en comparaison de celui de l’Yb3+. Ceci peut être partiellement compensé en mettant en place un processus de relaxation croisée entre les ions Tm3+ permettant ainsi la génération de deux photons de signal pour l’absorption d’un seul photon de pompe (pente d’efficacité pouvant alors atteindre 70%). Malgré cela, des effets thermiques non négligeables sont à prendre en considération (semblables à ceux également observés récemment dans le cas de l’Yb3+). Ces derniers peuvent induire une modification indicielle de la structure de la fibre altérant indéniablement ses propriétés de guidage (diminution du MFD, instabilité modale). Ces effets thermiques ne doivent alors pas apparaitre comme une limitation du système laser mais doivent faire partie intégrante du design initial de la fibre optique proposée. C’est dans ce contexte que s’inscrit la thèse proposée ici dont l’objectif majeur est de concevoir expérimentalement le premier système laser de puissance opérant à 2 µm basé sur une fibre optique de nouvelle génération (fibre présentant des tailles de cœur supérieures à 100 µm tout en conservant une émission parfaitement monomode basée sur une rupture de symétrie de la gaine microstructurée) intégrant dans son design des alternatives à ces effets thermiques. Les travaux proposés ici se feront en collaboration avec l’Institute of Photonic Technology (IPHT) situé à Jena en Allemagne et avec THALES R&T situé à Palaiseau. Un financement de la bourse de thèse est demandé auprès de la Délégation Générale de l’Armement (DGA).

Objectifs scientifiques de la thèse
Les principaux objectifs scientifiques de la thèse proposée sont listés ci-après:
– modélisation de fibres optiques dopées activement aux ions thulium spécifiques pour une augmentation drastique de la puissance laser émise (fibres présentant des tailles de cœur supérieures à 100 µm tout en conservant une émission parfaitement monomode basée sur une rupture de symétrie de la gaine microstructurée) et intégrant dans son design des alternatives aux effets thermiques limitants;
– tests et validation des propriétés optiques des matériaux actifs (travail réalisé en étroite collaboration avec nos collègues de l’Institute of Photonic Technology (IPHT) situé à Jena en Allemagne;
– fabrication et caractérisation de fibres optiques blanches (c’est-à-dire non dopées activement) à très gros cœur basées sur une rupture de la symétrie de la gaine microstructurée pour une validation de la structure guidante;
– fabrication et caractérisation de ces mêmes fibres dopées activement;
– conception expérimentale de la source laser de puissance à 2µm basée sur les fibres optiques actives précédemment sélectionnées (source laser fonctionnant en régime impulsionnel basée sur une configuration MOPA);
– s’intégrer dans une équipe de recherche active;
– acquérir un savoir-faire et une autonomie sur un projet de recherche

Compétences à l’issue de la thèse
– compétences dans la modélisation d’une fibre optique composite complexe;
– compétences dans la modélisation de cavités laser à fibres optiques;
– compétences dans la modélisation thermique des cavités laser à fibres;
– compétences dans la fabrication de fibres optiques composite complexe;
– compétences dans l’utilisation et le fonctionnement d’une tour de fibrage;
– compétences dans la caractérisation expérimentale des propriétés linéaires d’une fibre optique;
– compétences dans la conception expérimentale de cavité laser à fibre;
– compétences dans l’écriture de publications scientifiques;
– connaissances dans le domaine de la photonique

Mots clés (séparés par des virgules)
photonic crystal fiber, laser de puissance, fibre amplificatrice, fabrication de fibres optiques composites, effets thermiques
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : OUI

Expérience/profil souhaité(e)
– Titulaire d’un master en physique ou Diplômé d’une école d’ingénieur en physique.
– Le(a) candidat(e) doit avoir moins de 27 ans et avoir une nationalité d’un pays de la communauté européenne (conditions indispensables pour un financement de la DGA comme envisagé ici).

Modalité de dépôt des candidatures
– Envoyer un CV (faisant mention notamment de son état civil), une lettre de motivation, et un duplicata du dernier diplôme obtenu avec le relevé des notes au directeur de thèse et au directeur adjoint de thèse le plus rapidement possible.
– Contacter le directeur de thèse et/ou le directeur adjoint de thèse pour un entretien (téléphonique ou par visio-conférence ou par une visite du laboratoire) le plus tôt possible.

Directeur de thèse
Philippe ROY (Chargé de recherche au CNRS / HDR)
Adresse mail du directeur de thèse : philippe.roy@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05.55.45.73.32

Co-directeur de thèse
Raphael JAMIER (Maître de conférences)
Adresse mail du co-directeur de thèse : raphael.jamier@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05.55.45.73.37
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON
Fichier annexe (pdf) : Fiche_these_XLIM-Photonique

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