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Verres et fibres dopés pour applications autour de 1 µm

publié le , mis à jour le

Activités de Recherche :

Fibres à très large cœur avec dopage Ytterbium

Les lasers à fibre les plus performants s’appuient sur les verres dopés Yb3+, cet ion combinant une structure énergétique simple (deux multiplets seulement), avec des sections efficaces élevées et relativement larges, ainsi qu’un défaut quantique faible entre absorption et émission. Ceci permet de réaliser des lasers efficaces utilisables en régime continu ou impulsionnel court pour des applications telles que le marquage ou la découpe. Alors que la montée en puissance observée ces 10 dernières années dans le cas des lasers à fibre dopée Yb3+ fut essentiellement le fruit du travail de développement de fibres à grande aire modale, les techniques de fabrication de préformes dopées Yb3+ doivent évoluer si l’on souhaite poursuivre cette progression. Il s’avère que la réalisation de fibres à grande aire effective serait facilitée par l’usage de préformes dopées de gros volume, homogènes en indice et en concentration de dopant. C’est dans ce but que nous développons à Lille de nouvelles techniques de fabrication de verres dopés Yb3+, telles que la voie sol-gel polymérique ou la méthode de vaporisation de précurseurs d’ions de terre-rares par OVD. A titre d’illustration, en couplant la technique sol-gel au travail mené sur le développement de fibres avancées, nous avons démontré la possibilité de réaliser une fibre dopée Yb3+de diamètre modal de 36 µm et émettant jusqu’à 20 W avec une efficacité laser de 61,5 % [1]. Différente des approches sol-gel dites « colloïdales », plus couramment rencontrées dans la littérature, l’approche sol-gel polymérique développée à Lille conduit à la formation de verres nanoporeux pouvant être intégralement post-dopés [2] [3]. L’apport se situe au niveau des volumes dopés (des barreaux de section 15 mm sont disponibles), combinés à une très bonne homogénéité d’indice (déviation standard de l’indice de réfaction inférieure à 1,1x10-5).

A gauche : image MEB d’une fibre BIP 2D à gaine hétéro-structurée et cœur Sol-Gel dopé Yb3+ de diamètre moyen 46 µm. A droite : profil de concentration en Yb3+ et profil d’indice d’un monolithe sol-gel dopé Yb3+ utilisé pour la réalisation de fibres LMA.

Développement de l’OVD pour la réalisation de fibres utilisables autour de 1 µm

Outre des diamètres de mode de plus en plus élevés, un autre besoin de la communauté des lasers à fibre porte sur le contrôle de la répartition transverse d’intensité du faisceau émis. En plus du caractère monomode, il est intéressant de disposer d’un faisceau d’intensité homogène : on parle de mode plat. Pour l’obtenir, une solution consiste à ajouter un anneau de haut indice en périphérie du cœur. Pour ce faire, nous avons employé sur la technique OVD qui nous permet de déposer des couches de silice de haute pureté et d’indice contrôlé sur une cible préalablement réalisée par une autre méthode. Pour parvenir à contrôler l’indice, l’épaisseur et la qualité optique des couches déposées, nous nous sommes appuyés sur une étude paramétrique visant à mieux comprendre le procédé OVD [4]. L’effet de la température sur la taille et la forme des nanoparticules de silice déposées par OVD a ainsi été étudié, ce qui nous a permis de définir les points de fonctionnement adaptés à nos réalisations.
Parallèlement, une variante du procédé OVD conventionnel est développée dans l’équipe afin de réaliser des barreaux dopés Yb3+ dans la masse. Le principe consiste à vaporiser des précurseurs organométalliques simultanément à un précurseur de silice afin de réaliser, couche après couche, un verre aluminosilicate dopé Yb3+ de haute pureté, utilisable comme cœur de fibres laser de très fortes puissances.

A gauche : image MEB mettant en évidence l’anneau de haut indice ayant pour fonction d’aplatir le profil d’intensité du mode fondamental d’une fibre air/silice. A droite : images MEB illustrant la structure des couches poreuses déposées par OVD, en fonction de la température du dépôt.

Bibliographie :

  1. A. Baz et al.
    "Very large mode area Solid-Core Photonic Bandgap Fiber laser with hetero-structured cladding and Yb-doped Sol-Gel core." CLEO Europe, 2012.

  2. H. El Hamzaoui, L. Courthéoux, V. N. Nguyen, E. Berrier, A. Favre, L. Bigot, M. Bouazaoui, and B. Capoen.
    "From porous silica xerogels to bulk optical glasses : The control of densification."
    Materials Chemistry and Physics 121(1-2), 83-88, 2010.
    http ]

  3. A. Baz, H. E. Hamzaoui, I. Fsaifes, G. Bouwmans, M. Bouazaoui and L. Bigot.
    "A pure silica ytterbium-doped sol–gel-based fiber laser."
    Laser Phys. Lett., 10(5), 055106, 2013.
    http ]

  4. V. Petit, A. Le Rouge, F. Béclin, H. El Hamzaoui, and L. Bigot.
    "Experimental Study of SiO2 Soot Deposition using the Outside Vapor Deposition Method".
    Aerosol Science and Technology, 44(5), 388-394, 2010.
    http ]