Oscillateurs et ampli?cateurs à ?bres dopées aux ions Ytterbium et applications en optique non linéaire

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N° d’ordre : 3782
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES
ET DE L’INGÉNIEUR
par Melle. Ramatou Bello Doua
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Lasers et Matière Dense
Oscillateurs et Amplificateurs à fibres dopées
aux ions Ytterbium et Applications en optique
non linéaire
Soutenue le 01 Avril 2009,
Après avis de MM.
M. Patrick Georges Rapporteur
M. Marc Brunel
Devant la commission d’examen formée de2
M. Patrick Georges Directeur de recherche à l’institut d’optique Rapporteur
M. Marc Brunel Professeur, Université de Rennes 1
M. F. Salin Vice-président et CTO Eolite systems Pessac Examinateur
M. E. Freysz Directeur de recherche au CNRS, Directeur du CPMOH Directeur de thèse
M. J. Oberle Professeur, CPMOH Université Bordeaux 1 President du jury
M. N. Traynor Chargé d’affaires Alphanov InvitéRemerciements
La puissance de bien juger, de distinguer le vrai d’avec
le faux, qui est proprement ce que l’on nomme le bon sens,
ou la raison, est naturellement égale en tous les hommes.
RenéDescartes
Extrait du ”Discours de la méthode”
Me voilà enfin à la rédaction des remerciements tant attendus qui marque la fin
d’une époque. Oui, c’est fini la thèse ! ! ! Yes I could.
Avant de vous exposer le rapport de ces trois dernières années de travaux de thèse,
j’aimerais remercier les gens qui m’ont aidée, soutenue et supportée tout au long de
cette aventure. Comme toute aventure, celle-ci a été très fructueuse tant sur le plan
personnel que professionnel.
Cette thèse a été effectuée en étroite collaboration avec le CPMOH (Centre de
Physique Moléculaire Optique et Hertzienne) et Eolite systems dans le cadre d’une
convention CIFRE.
Amesdirecteursdethèse
Je tiens tout d’abord à remercier vivement Eric Freyz, pour avoir accepté d’être
mon directeur de thèse mais surtout pour la motivation et l’encadrement qu’il a su
m’apporter tout au long de ces trois années passées. Les remarques toujours perti-
34
nentes, ”les idées du vendredi après-midi ” ainsi que la bonne humeur pendant les
séances de manipulations ont fortement contribué à l’aboutissement de ce travail.
J’exprime ma profonde reconnaissance envers François Salin sans qui cette thèse
n’aurait jamais eu lieu. Il a toujours répondu présent à toute mes sollicitations. Je tiens
à lui rendre hommage pour ses compétences scientifiques, ses conseils avisés qui m’ont
permis d’avancer dans mes travaux. Sa disponibilité tant sur le plan professionnel que
personnel m’a permis de ne pas baisser les bras dans les moments difficiles (entre
autres les méandres d’une administration française impitoyable ! ! !).
Amonjurydethèse
Je voudrais également remercier Patrick Georges, directeur de recherche à l’ins-
titut d’optique, et Marc Brunel, professeur à l’université de Rennes pour leur lecture
attentive du manuscrit ainsi que les discussions téléphoniques fructueuses qui ont per-
mis une rédaction plus claire du rapport. Mes remerciements vont également à Jean
Oberlé, professeur à l’université Bordeaux 1 pour avoir été le président du jury.
Je tiens à exprimer ma gratitude envers Nicholas Traynor pour avoir non seulement
fait partie de mon jury de thèse mais surtout pour nos discussions très intéressantes sur
les fibres optiques et les lasers.
L’universAlphanovetEoliteSystems
J’ai découvert Alphanov (anciennement PALA) lors de mon stage de licence, et
depuis...
Pendant ma thèse, j’ai évolué dans cet univers chaleureux, de travail acharné où se
retrouve toute la communauté optique et lasers de Bordeaux et d’ailleurs. Je remercie
toute l’équipe Alphanov pour ces moments passés ensemble.
Une spéciale dédicace à Marc Faucon (marcogb) pour ses critiques constructives
dont il a les secrets, à Marie-Caroline Hernandez, à John Lopez pour sa bonne hu-
meur et ses blagues sur les grizzly. Un petit clin d’oeil à Jean Pascal Caumes, notre
marseillais qui est sur le point de devenir girondin. Eh oui je l’ai rêvé ! ! !. A Martin
Delaigue, pour nos discussions diverses et variées autour d’un verre au Saint Aubin.
Je pense également à Christophe Pierre, Marie Duruisseau et Elisabeth Boeri pour leur
aide précieuse, les conseils et l’amitié qu’ils m’ont toujours témoignée.5
Je remercie chaleureusement mes collègues d’Eolite Systems avec qui j’ai passé de
très bons moments. Merci à Sylvie Babeau, Julien Saby, Caroline Gabes, Christophe
Galles pour ne citer que ceux là. Un grand merci à Cecile Bernaud (Cecilou pour les
intimes) pour sa bonne humeur communicative, sa simplicité et sa gentillesse qui font
d’elle une amie pour toujours.
Amafamille
Je remercie enfin mes parents, mes frères et soeurs pour m’avoir soutenue et avoir
eu confiance en moi depuis toujours. Près de 4000 km nous séparent depuis bientôt dix
ans, mais vous êtes en permanence près de moi surtout pendant les moments difficiles.
Vous avez toujours été ma source d’inspiration.
Godiya ga Iyalina.
Ina nema gafara ga rekou6Table des matières
1 Introduction 17
2 Etat de l’art et généralités 23
2.1 Etat de l’art des lasers à fibre continus et déclenchés . . . . . . . . . . 23
2.2 Optique guidée dans les fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 L’équation d’Helmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Condition de propagation monomode . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.1 Fibres standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.2 Les fibres microstructurées à trous manquants . . . 27
2.3 Les fibres dopées ytterbium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 L’ion Ytterbium : Spectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Utilisation des matériaux ytterbium dans un laser . . . . . . . 33
2.3.3 Les fibres microstructurées double gaine dopées Yb . . . . . . 36
2.3.4 Techniques de fabrication des fibres microstructurées double
gaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Mode de pompage : Diode laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Lasers à fibre : Oscillateurs 45
3.1 Oscillateur en régime continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Modélisation : les équations d’état . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1.1 Pompage continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1.2 Longueur de fibre optimale . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1.3 Saturation de la pompe . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Emission laser autour de 976 nm . . . . . . . . . . . . . . . 51
78 TABLEDESMATIÈRES
3.1.2.1 Principe expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Emission laser autour de 1030 nm . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3.1 Diodes de pompage utilisée . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3.2 Milieu amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3.3 Optimisation de la cavité . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3.4 Choix de la cavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.4.1 Efficacité de conversion . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.4.2 Qualité spatiale : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.4.3 Qualité spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.5 Photonoircissement dans les fibres dopées ytterbium . . . . . 69
3.2 Oscillateur impulsionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1 Le régime déclenché . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1.1 Différentes méthodes de déclenchement . . . . . . 75
3.2.1.2 Efficacité et choix d’un modulateur acousto-optique 79
3.2.2 Résultats expérimentaux en régime déclenché . . . . . . . . . 81
3.3 Oscillateurs à fibres souples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Les amplificateurs à fibre dopée aux ions ytterbium 99
4.1 Amplification d’un microlaser dans une fibre dopée ytterbium . . . . 100
4.1.1 Le microlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.2 Amplification dans les fibres avec un microlaser : Conditions
expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.2.1 Paramètres d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.2.2 Réglage et injection du signal . . . . . . . . . . . . 101
4.1.3 Partie expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.3.1 Laser 30 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1