FR3018144A1 - Dispositif d'amplification optique hybride - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) d'amplification optique hybride apte à amplifier un signal d'entrée (S) impulsionnel et présentant une longueur d'onde signal (AO) comprise entre 1 et 2.5 µm comprenant : -un coupleur à fibre (FC) configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée (S) et un signal de pompe (P) présentant une longueur d'onde pompe (λp), -une fibre optique amplificatrice (FA) dopée avec un ion terre-rare, configurée pour amplifier le signal optique d'entrée (S) de manière à générer en sortie un premier signal amplifié (SA1) et un signal de pompe résiduel (Pr), -un cristal amplificateur (CA) dopé avec ledit ion terre-rare et configuré pour amplifier le premier signal amplifié (SA1) de manière à générer un deuxième signal amplifié (SA2), -un adaptateur optique (OA) disposé entre une extrémité de sortie de la fibre amplificatrice (FA) et le cristal amplificateur (CA), configuré pour adapter le premier signal amplifié (SA1) et le signal de pompe résiduel (Pr) au cristal amplificateur (CA).

Description

Dispositif d'amplification optique hybride DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des sources lumineuses dans le proche infrarouge, typiquement des longueurs d'onde comprises entre 1 pm et 2.1 pm, réalisées à partir d'un oscillateur laser amplifié à l'aide de composants optiques, fibres ou cristal, dopés avec des ions terre-rare, typiquement des ions Erbium, Ytterbium, Thulium, Holmium.

Plus particulièrement l'invention concerne les sources laser pour applications LiDAR pour « Light Detection and Ranging » en terminologie anglo-saxonne, ou industrielles (usinage, marquage), à base d'impulsions nanosecondes, de durée comprise typiquement entre 0.1 ns et 1000 ns, et présentant une puissance crête élevée, typiquement comprise entre 100 kW et 10 MW. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour des applications LIDAR on cherche à disposer de sources laser impulsionnelles nanosecondes émettant dans le proche infrarouge avec une puissance crête élevée. Le domaine nanoseconde permet de maximiser la puissance crête tout en restant compatible avec les systèmes de détection existants (photodiodes à avalanche par exemple). La gamme spectrale vers 1,5 pm, dite à sécurité oculaire, présente à ce titre un intérêt particulier.. On souhaite de surcroît pouvoir contrôler le profil des impulsions afin de pouvoir l'adapter à différentes applications et situations. Par exemple, la génération d'impulsions nanosecondes voire sub-nanosecondes permet une résolution de distance centimétrique qui ouvre la voie à l'imagerie 3D et permet de révéler des objets partiellement cachés. Inversement, des impulsions de 100-1000 ns sont nécessaires lorsque l'on souhaite mettre en place une détection cohérente pour la mesure de vitesse par effet doppler. Il a aussi été montré que la possibilité de moduler en intensité, en phase, ou en fréquence une impulsion nanoseconde pouvait permettre un traitement de type Radar à la réception et améliorer la résolution temporelle pour une durée d'impulsion donnée, et l'extraction d'informations telles que la vitesse radiale même en détection incohérente. Le niveau de puissance crête requis dépend de la portée recherchée et varie 5 donc suivant l'application, mais celui-ci peut dépasser 1 MW (106 Watts) pour une portée supérieure à 10 km. Ainsi, on cherche à disposer d'une architecture de source laser capable de générer des impulsions nanosecondes de forte puissance crête dans le proche infrarouge et permettant un contrôle de la forme d'onde en sortie de 10 la source laser. Pour cela on utilise des sources lasers et des amplificateurs dopés avec différents ions terres-rares permettent d'accéder à différentes bandes spectrales du proche infrarouge. L'ion Ytterbium Yb3+ permet une émission vers 1-1.1 pm, l'ion Erbium Er3+ une émission vers 1.5-1.6 pm, l'ion Thulium 15 Tm3+ une émission vers 1.9-2.0 pm, et l'ion Holmium Ho3+ une émission vers 2.05-2.15 pm. L'émission de l'ion Er3+ vers 1.5-1.6 pm présente un intérêt particulier pour la réalisation de sources à sécurité oculaire et est compatible avec l'utilisation de détecteurs sensibles non refroidis à base d'InGaAs. 20 La technologie laser à fibre, schématisée sur la figure 1, répond en partie au besoin évoqué. On part d'un oscillateur OL de faible puissance, par exemple une diode laser fibrée émettant 10 mW crête, émettant un signal Sinit dont on contrôle simplement le profil temporel. Puis on utilise une chaîne d'amplification SA composée d'une série d'amplificateurs à fibre optique FA1, 25 FA2, FA3 (comme par exemple un EDFA pour « Erbium Doped Fiber Amplifier » en terminologie anglo-saxonne) qui génère des signaux amplifiés respectivement Sinit/A1, Sinit/A2 Sinit/A3. Chaque amplificateur est pompé par un laser de pompe, respectivement P1, P2>P1, P3>P2, dont l'intensité croît avec la densité de puissance du signal amplifié. 30 Par exemple l'utilisation d'amplificateurs à fibres dopées Erbium permet de concevoir une chaine d'amplification avec un gain très important (-70 dB). Ainsi, on aboutit à une puissance crête pouvant atteindre plus de 100 kW en utilisant par exemple trois amplificateurs en cascade. Dans une telle chaîne, illustrée figure 2, les différents étages d'amplification 35 et les composants inter-étages, coupleur pour le pompage CF1, CF2, CF3, isolateur optique 11, 12, 13, filtres passe-bande, sont reliés entre eux par fibre, ce qui confère à cette architecture une grande robustesse. Chaque étage dispose de sa propre pompe, le signal de pompe résiduel issu de l'étage inférieur étant généralement stoppé avec des filtres ou des absorbants. En effet, certains composants de la chaîne, par exemple des isolateurs optiques, ne transmettent pas à la longueur d'onde pompe et pourraient donc être endommagés. Pour des applications Lidar, il est important qu'un signal monomode se propage et soit amplifié jusqu'au bout de la chaîne pour obtenir une émission monomode pour le LIDAR avec un minimum de divergence (faisceau limité par la diffraction). La pompe peut se propager de façon monomode ou multimode. En pratique, pour un ampli de type EDFA standard avec une fibre à coeur monomode, le signal de pompe est monomode si la pompe est à 1480 nm mais légèrement multimode si celle-ci est à 980 nm, comme c'est souvent le cas dans les amplificateurs commerciaux. Afin de maximiser l'énergie extractible on cherche à augmenter successivement la taille du mode du signal à amplifier se propageant dans les amplificateurs en augmentant le diamètre du coeur Dc de la fibre tout en diminuant la différence d'indice Ln entre le coeur et la gaine, pour garantir une propagation monomode. En effet, on définit un paramètre V qui est une constante de propagation normalisée : V = -rr/À .Dc . ON rze Tr/À .Dc . V2. nl. An À longueur d'onde du signal optique se propageant dans la fibre Dc diamètre du coeur de la fibre ON ouverture numérique de la fibre n1 indice du coeur An différence d'indice entre la gaine et le coeur de la fibre. On démontre que V <2.4 pour une propagation monomode.

La technologie usuelle MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) de fabrication des fibres ne permet pas de contrôler la différence d'indice en deçà d'environ 10-3. Cette limitation fait qu'il est difficile en pratique d'augmenter le diamètre du coeur des fibres dopées Erbium au-delà d'environ 20 pm tout en garantissant une propagation monomode, pour des longueurs d'onde du proche infrarouge, par exemple 1.5 pm, et une ouverture numérique de 0.06. De ce fait, l'énergie extractible est de l'ordre de quelques centaines de micro joules et la puissance crête limitée à une centaine de kW pour des 5 impulsions de 1 ns (référence 1). Ces valeurs limitent la portée à quelques kilomètres pour les applications LIDAR. D'autres technologies de fabrication des fibres permettent de diminuer la différence d'indice. C'est le cas par exemple de fibres micro-structurées pour 10 lesquelles la gaine est constituée de silice avec des trous d'air de dimension sub-longueur d'onde conférant à la structure un indice effectif légèrement inférieur à celui de la silice dopée du coeur. Néanmoins, si de telles structures permettent effectivement d'augmenter le diamètre du mode (par exemple jusqu'à 40 pm), le guidage optique est si faible qu'il devient 15 impossible de courber la fibre sans pertes, ce qui pose un problème d'encombrement pour de nombreuses applications. Pour dépasser les limitations liées à la technologie laser à fibre, il est possible de passer à la technologie des lasers à solides utilisant des cristaux 20 dopés par exemple Erbium en propagation libre. Dans ce cas, du fait des dimensions transversales importantes du cristal, on peut choisir librement le diamètre du mode et il est possible d'extraire beaucoup plus d'énergie. Par exemple, une architecture Er:YAG oscillateur/ amplificateurs émettant à 1645 nm et pompée à l'aide de diodes laser multimodes à 1470 nm a permis 25 d'obtenir 100 mJ avec des impulsions d'environ 100 ns. Dans ce cas l'oscillateur était un laser Er :YAG déclenché « Q-switched » générant des impulsions d'environ 50 mJ. Dans ce type de laser, un modulateur est inséré à l'intérieur de la cavité, qui empêche le laser de laser tant que le matériau n'est pas pompé au maximum. A cet instant le modulateur autorise l'effet 30 laser et toute l'énergie stockée dans la cavité est émise dans un temps court. Le gain des amplificateurs n'est que de 3 dB environ, dû à la longueur limitée des cristaux, quelques centimètres comparé à quelques mètres pour les fibres, et dans ce cas particulier à la faible densité de pompage résultant de l'utilisation de diodes laser multimodes.

En pompant vers 1533 nm à l'aide d'un laser à fibre dopée erbium monomode, il a été démontré un gain de plus de 10 dB. Cela reste cependant insuffisant pour concevoir une chaine d'amplification uniquement basée sur cette technologie à partir d'un oscillateur de faible puissance. De fait, les études connues sur le sujet font appel à un oscillateur de type Q-switch délivrant des impulsions énergétiques (-100 pJ) pouvant ensuite être amplifiées au-delà d'une milli joule. Si la technologie laser solide permet de lever la limitation en énergie par impulsion et en puissance crête, elle présente en revanche un certain nombre d'inconvénients. En particulier, le recours à un oscillateur Q-switch suivi d'un amplificateur rend l'architecture complexe car faisant appel à de nombreux composants optiques ou électro-optiques dont l'alignement est critique. D'autre part, un inconvénient de ces lasers Q switch est que l'impulsion est peu maitrisée, et ne peut pas être modulée en phase et/ou en amplitude avec précision, contrairement aux structures à amplificateurs à fibre, dans lesquelles le faible signal de départ issu par exemple d'une diode laser peut être aisément modulé. Ainsi ce type d'oscillateur ne permet pas de générer des impulsions avec un profil temporel arbitraire, c'est-à-dire d'amplifier des formes d'onde complexes. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités, et plus particulièrement de réaliser un amplificateur hybride présentant les avantages des amplificateurs à fibre et permettant de délivrer une puissance crête bien supérieure à celle accessible en utilisant uniquement des amplificateurs à fibres, du même ordre de grandeur que celle accessible avec une technologie laser à solide, tout en conservant la capacité de traiter des formes d'onde complexes.

DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un dispositif d'amplification optique hybride apte à amplifier un signal d'entrée impulsionnel et présentant une 35 longueur d'onde signal comprise entre 1 et 2.5 dam comprenant : -un coupleur à fibre configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée et un signal de pompe présentant une longueur d'onde pompe, -une fibre optique amplificatrice dopée avec un ion terre-rare, connectée au coupleur à fibre, et configurée pour amplifier le signal optique d'entrée par 5 transfert d'énergie à partir du signal de pompe de manière à générer en sortie un premier signal amplifié et un signal de pompe résiduel, -un cristal amplificateur dopé avec ledit ion terre-rare et configuré pour amplifier le premier signal amplifié par transfert d'énergie à partir du signal de pompe résiduel, de manière à générer un deuxième signal amplifié, 10 -un adaptateur optique disposé entre une extrémité de sortie de la fibre amplificatrice et le cristal amplificateur, configuré pour adapter le premier signal amplifié et le signal de pompe résiduel au cristal amplificateur. Avantageusement, la fibre amplificatrice est monomode pour les longueurs d'onde signal et pompe. 15 Selon un mode de réalisation, le coupleur à fibre est configuré pour injecter dans une même fibre monomode le signal d'entrée et le signal de pompe. En variante, le coupleur à fibre comprend une fibre de transport directement connectée à la fibre amplificatrice. Avantageusement, l'ion terre rare est l'ion Erbium et dans lequel la longueur 20 d'onde signal est comprise entre 1532 nm et 1617 nm. Avantageusement, le cristal est un cristal de YAG. Selon un mode de réalisation, l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice est soudée à un embout dépourvu de coeur et dans lequel l'adaptateur optique comprend une lentille réfractive. 25 Selon un autre mode de réalisation, l'adaptateur optique comprend un segment de fibre à gradient d'indice directement soudé à l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice. En variante, le dispositif selon l'invention comprend en outre un polariseur disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart d'onde puis un 30 miroir du côté opposé dudit cristal amplificateur, de sorte que l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par double passage. En variante, le dispositif selon l'invention comprend en outre un isolateur optique disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart d'onde puis un miroir du côté opposé dudit cristal amplificateur, de sorte que 35 l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par quadruple passage.

Selon un autre aspect, l'invention porte sur un système d'amplification hybride comprenant le dispositif d'amplification hybride selon l'invention, ainsi qu'un oscillateur laser configuré pour générer un signal initial et un préamplificateur comprenant au moins une fibre amplificatrice configuré pour amplifier le signal initial et générer le signal d'entrée dudit dispositif. Avantageusement, l'oscillateur laser est une diode laser fibrée directement modulée en courant, ou modulée par un modulateur électro-optique externe. Selon un mode de réalisation, l'oscillateur laser est configuré pour générer io un signal initial comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. En variante, l'oscillateur laser est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en amplitude. Avantageusement, le système selon l'invention comprend en outre un laser 15 de pompe configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la fibre amplificatrice à la longueur d'onde de pompe. Avantageusement, le laser de pompe et l'oscillateur laser sont configurés 20 pour que respectivement les longueurs d'onde pompe et signal correspondent respectivement à l'excitation et la dé-excitation d'un même niveau d'énergie de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal. Avantageusement, le laser de pompe comprend un laser à fibre dopé Erbium ou co-dopé Erbium-Ytterbium émettant vers 1533 nm. 25 Selon un mode de réalisation, le laser de pompe est en outre configuré pour générer un signal de pompe additionnel couplé à la sortie de la fibre amplificatrice à l'aide d'un coupleur à fibre additionnel et dans lequel le cristal amplificateur est configuré pour amplifier le premier signal amplifié à partir et du signal de pompe résiduel et du signal de pompe additionnel. 30 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : -La figure 1 déjà citée illustre le principe d'amplification par fibre optique 35 dopée à partir d'un oscillateur laser. -la figure 2 déjà citée illustre l'architecture et les différents composants optiques utilisés dans un amplificateur à fibres optiques. -La figure 3 schématise le dispositif d'amplification hybride selon l'invention. -La figure 4 illustre un exemple de dispositif d'amplification hybride selon l'invention. -La figure 5 illustre un autre exemple de dispositif d'amplification hybride selon l'invention, dans lequel le coupleur à fibre comprend une fibre de transport. -La figure 6 illustre un autre exemple de dispositif d'amplification hybride 10 selon l'invention, dans lequel le déport du signal et de la pompe est réalisé par deux fibres différentes en amont du coupleur à fibre. -la figure 7 illustre une variante d'adaptateur optique d'un dispositif d'amplification selon l'invention. -La figure 8 illustre une autre variante d'adaptateur optique d'un dispositif 15 d'amplification selon l'invention. -La figure 9 illustre un niveau d'énergie d'un cristal selon l'invention. -La figure 10 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des sections efficaces d'absorption et d'émission de l'erbium dans la silice. -la figure 11 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des 20 sections efficaces d'absorption et d'émission de l'erbium dans un cristal de YAG. -la figure 12 montre la puissance crête obtenue en sortie de la fibre amplificatrice en fonction de la longueur de cette fibre. -La figure 13 montre l'évolution de la puissance de pompage en fonction de 25 la longueur de la fibre amplificatrice. -La figure 14 montre la puissance crête obtenue en sortie du cristal l'amplificateur Er :YAG en fonction de la longueur du cristal. -La figure 15 montre l'évolution de la puissance de la pompe Ppr en fonction de la longueur du cristal. 30 -la figure 16 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel le signal réalise un double passage dans le cristal amplificateur. -la figure 17 illustre une mode de réalisation d'un système selon l'invention. 35 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 3 décrit un dispositif 10 d'amplification optique hybride selon l'invention. Le dispositif 10 est apte à amplifier un signal d'entrée S 5 impulsionnel de longueur d'onde signal À0 comprise entre 1 et 2.5 pm soit le proche infra rouge. Le dispositif 10 comprend un coupleur à fibre FC configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée S et un signal de pompe de longueur d'onde pompe Àp. 10 Préférentiellement le signal d'entrée S est issu d'un oscillateur OL pré-amplifié par un amplificateur PreA comprenant au moins une fibre amplificatrice classique, et le signal de pompe est issu d'un laser de pompe PL, détaillés plus loin. Un exemple de coupleur à fibre conventionnel, illustré figure 4, est de type 15 directionnel. Ce type de coupleur est réalisé par fusion/étirage à partir de deux fibres monomodes et permet un couplage par ondes évanescentes dans la silice sans interfaces avec de très faibles pertes d'insertions, permettant donc de supporter une forte puissance. 20 Le coupleur peut aussi être réalisé à partir d'un miroir dichroïque monté dans un boîtier fibré. Le dispositif 10 comprend également une fibre optique amplificatrice FA dopée avec un ion terre-rare, connectée au coupleur à fibre FC, et configurée pour amplifier le signal optique d'entrée S par transfert d'énergie à 25 partir du signal de pompe P de manière à générer en sortie un premier signal amplifié Sm et un signal de pompe résiduel Pr. La fibre amplificatrice FA est de technologie classique. Le coupleur à fibre FC est un coupleur à fibre conventionnel qui injecte les signaux d'entrée S et de pompe P directement dans une même fibre qui est 30 la fibre amplificatrice FA, tel qu'illustré figures 3 et 4. Ces coupleurs sont par exemple des composants standards utilisés pour les telecoms optiques, éventuellement « durcis » pour supporter de fortes puissances ( > 10 W). Selon une variante illustrée figure 5, le coupleur à fibre FC comprend une 35 fibre de transport FT monomode directement connectée à la fibre amplificatrice FA. Les signaux P et S sont dans ce cas injectés dans la fibre de transport FT à l'aide d'un coupleur à fibre conventionnel réalisé par fusion étirage ou à l'aide de miroirs diélectriques. Le déport par fibre du signal d'entrée et de la pompe est avantageux dans de nombreuses applications embarquées. L'aspect monomode de la fibre de transport garantit un bon recouvrement des faisceaux P et S à l'entrée de la fibre amplificatrice FA, ainsi qu'une faible divergence du faisceau signal en sortie de la fibre de transport, comme expliqué plus haut.

Selon une autre variante illustrée figure 6, le déport est réalisé séparément par deux fibres différentes, une fibre de transport FT pour le déport du signal d'entrée S, et une autre fibre pour le signal de pompe P, faisant partie du laser de pompe ou connectée à celui-ci.

Le dispositif 10 comprend en outre un cristal amplificateur CA dopé avec le même ion terre-rare que la fibre amplificatrice, qui est configuré pour amplifier le premier signal amplifié SA1 par transfert d'énergie à partir du signal de pompe résiduel Pr, de manière à générer un deuxième signal amplifié SA2. Ainsi la puissance du signal de pompe P doit être suffisante en entrée de la fibre amplificatrice FA, pour que cette dernière n'absorbe pas l'intégralité de son énergie, et ainsi que la puissance pompe résiduelle Pr en sortie de la fibre amplificatrice FA soit suffisante pour servir à son tour de signal de pompe en entrée du cristal amplificateur pour réaliser une amplification de SAI dans le cristal amplificateur CA.

Enfin le dispositif 10 comprend un adaptateur optique OA disposé entre l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice FA du côté du cristal CA et le cristal amplificateur CA, configuré pour adapter le premier signal amplifié SAI et le signal de pompe résiduel Pr au cristal amplificateur CA. Cette adaptation consiste à collimater et élargir les diamètres respectifs du premier signal amplifié SAI et du signal de pompe résiduel Pr afin d'adapter les dimensions des faisceaux signal et pompe au cristal amplificateur CA. Ce dernier étage d'amplification s'effectue donc en propagation libre. En variante, on positionne un isolateur optique entre l'adaptateur optique et le 35 cristal CA.

Les signaux en sortie de la fibre FA sont divergents, et il convient pour optimiser l'amplification dans le cristal d'éclairer celui-ci avec des faisceaux présentant un diamètre adapté à l'amplification dans le cristal CA, c'est-à-dire des faisceaux configurés pour minimiser le volume du cristal pompé, compte tenu de la diffraction des faisceaux de pompe et du signal, et de la longueur du cristal. Lorsque le volume pompé est minimisé, la densité de pompage et le gain sont maximisés. L'adaptateur optique rempli ce rôle en réalisant une focalisation optimale des faisceaux pompe et signal. Une valeur approximative du diamètre optimum D (typiquement au centre du cristal) est obtenue en considérant un faisceau gaussien focalisé au centre du cristal et en calculant le diamètre du faisceau D au point de focalisation (waist) minimisant le volume du faisceau dans le cristal. Ce diamètre D vaut : À. L D n.rc. 12 Avec, L : longueur du cristal n : indice optique du cristal : longueur d'onde signal/pompe Ainsi le dispositif d'amplification hybride 10 comprend un amplificateur à fibre optique FA, faisant suite à d'éventuels autres étages d'amplifications à fibre, et dont le dernier étage d'amplification comprend un cristal dopé CA en propagation libre. Cette architecture permet de repousser les limitations énergie/puissance crête liées à la seule utilisation de fibres amplificatrices, tout en conservant l'essentiel de leurs avantages. En effet, par rapport à un système tout fibre, on ne fait que rajouter un barreau de cristal dopé en bout de chaîne (un système laser à fibre de puissance classique est généralement terminé par un collimateur c'est-à-dire une lentille de collimation suivie éventuellement d'un isolateur). Ce dernier étage en propagation libre est relativement simple à aligner, et est capable de délivrer des impulsions présentant une énergie et une puissance crête équivalente à celle disponible avec la technologie laser à solide.

De plus l'architecture du dispositif est telle que les signaux pompe Pr et signal à amplifier Sm proviennent de la même fibre FA : il y a nécessairement un bon recouvrement spatial entre eux, ce qui minimise le nombre de composants optiques de la partie non guidée.

Selon une variante illustrée figure 7, l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice côté cristal amplificateur est munie d'un embout E dépourvu de coeur (couramment dénommé « end-cap), qui est classiquement utilisé pour éviter l'endommagement optique à l'interface avec l'air. L'adaptateur optique OA comprend dans ce cas une simple lentille réfractive Lr, de faible coût, disponible et permettant une grande flexibilité pour l'adaptation de la taille du mode. Selon une autre variante illustrée figure 8, l'adaptateur optique OA comprend un segment de lentille à gradient d'indice Lgi directement soudé à l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice. La longueur de la lentille et l'amplitude du gradient d'indice sont choisis pour permettre une collimation des faisceaux Pr et SA1 avec le diamètre souhaité. On élimine ainsi un composant en propagation libre (la lentille réfractive). Selon une variante préférée, la fibre amplificatrice FA est compatible d'une 20 amplification monomode pour la longueur d'onde signal ÀO, pour obtenir un premier signal amplifié de faible divergence. Selon une variante préférée, la fibre amplificatrice FA est également monomode pour la longueur d'onde pompe Àp. Cette propriété est obtenue par le choix de l'ouverture numérique et du diamètre de coeur de la fibre FA. 25 Le caractère monomode de la propagation dans la fibre FA du signal à amplifié et de la pompe permet un bon recouvrement de ces faisceaux dans le cristal. Pour obtenir cette propriété, les longueurs d'onde ÀO et Àp doivent être suffisamment proches. Ceci est vérifié lorsque, avantageusement, les 30 longueurs d'onde pompe Ap et signal ÀO correspondent respectivement à l'excitation et la désexcitation d'un même niveau d'énergie 90 de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal, respectivement à partir et vers le niveau fondamental 91, tel qu'illustré figure 9.

En sortie de la fibre amplificatrice FA, les signaux Pr et SA1 sont automatiquement alignés, ce qui permet d'obtenir automatiquement, sans alignement, un très bon recouvrement dans le cristal à l'aide d'une simple lentille comme adaptateur optique.

Pour que les transferts d'énergie s'opèrent correctement, la longueur d'onde À0 doit être comprise dans la bande de gain de la fibre dopée FA et coïncider avec une des raies d'émission du cristal dopé CA, et la longueur d'onde lep doit être comprise dans la bande d'absorption de la fibre dopée FA et coïncider avec une des raies d'absorption du cristal dopé CA.

Avantageusement l'ion terre-rare est l'ion Erbium et le cristal est une matrice Y3A15O12 ou YAG. Le dopage Erbium permet une émission dans la bande 1.5 pm de sécurité oculaire et l'utilisation de détecteurs InGaAs à avalanche. La figure 10 montre la variation en fonction de la longueur d'onde À des sections efficaces d'absorption o-aeff et d'émission creeff de l'erbium dans la silice, et la figure 11 montre les raies d'absorption « pump lines » et d'émission « laser lines » de l'erbium dans un cristal de YAG. Ainsi pour un dopage erbium, la longueur d'onde signal À0 est préférentiellement comprise entre 1532 nm et 1617 nm, et est choisie 20 avantageusement telle qu'elle coïncide avec une raie laser du YAG dopé erbium, par exemple À0=1617 nm. Cette longueur d'onde est préférentiellement pompée avec un signal pompe Àp=1533 nm, qui correspond au maximum d'absorption dans la silice dopée erbium et à une raie d'absorption dans le YAG dopé erbium. 25 D'autres matrices cristallines dopées Erbium sont caractérisées par des raies d'émission à de plus courtes longueurs d'ondes que 1617 nm, ce qui permet de réduire la longueur de la fibre amplificatrice FA, car le gain est plus important. La réduction de cette longueur de fibre permet de minimiser les effets non-linéaires pouvant distordre l'impulsion et élargir son spectre 30 optique et donc de maximiser la puissance crête en sortie de la fibre FA. La longueur d'onde de 1617 nm est en effet en limite de la bande de gain des amplificateurs à fibre en silice dopée erbium (figure 10). A titre d'exemple la matrice YLF permet une émission vers 1601 nm, et la matrice YVO4 permet une émission vers 1580 nm. D'une façon générale, il 35 existe différentes matrices possibles sous forme de monocristaux ou de céramiques permettant une émission dans la gamme 1532-1617 nm, qui coïncide avec la bande de gain des amplificateurs à fibres. De plus, en fonction de l'ion terre-rare utilisé, il convient de choisir des 5 longueurs d'onde signal et pompe adaptées, avec la contrainte qu'elles correspondent à des sources commerciales (oscillateur laser et laser de pompe). Selon un exemple l'ion terre rare est l'ion Ytterbium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 1pm et 1.1 pm et le laser de pompe PL est un 10 laser à fibre dopé Néodyme de longueur d'onde pompe Àp=910 nm ou un laser à fibre dopé Ytterbium de longueur d'onde pompe Àp=980 nm. Selon un autre exemple, l'ion terre rare est l'ion Thulium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 1.9 pm et 2.05 pm et le laser de pompe est un laser à fibre dopé Erbium de longueur d'onde pompe Àp comprise entre 1530 15 nm et 1600 nm. Selon un autre exemple, l'ion terre rare est l'ion Holmium, la longueur d'onde signal À0 est comprise entre 2.05 pm et 2.15 pm et le laser de pompe est un laser à fibre dopé Thulium de longueur d'onde pompe Àp comprise entre 1900 nm et 2000 nm. 20 Nous allons à présent décrire un mode de réalisation préféré d'un dispositif d'amplification hybride selon l'invention, en précisant les sources, signal et pompe, adaptées à sa mise en oeuvre dans l'exemple considéré. Son architecture est celle de la figure 5. 25 Un oscillateur laser impulsionnel OL est constitué d'une diode laser fibrée modulée émettant à À0=1617 nm qui génère un signal initial Sinit. Comme décrit précédemment, cette longueur d'onde correspond à une raie d'amplification du cristal Er : YAG et est aussi compatible de la bande de gain des amplificateurs à fibres dopées erbium. 30 Selon un mode de réalisation, l'oscillateur laser est directement modulé par le courant d'injection. Selon un autre mode de réalisation, l'oscillateur laser fonctionne en continu et la modulation est réalisée à l'aide d'un modulateur électro-optique fibré externe.

Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial Sinit comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal 5 initial Sinit comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en phase, c'est-à-dire configuré pour générer une forme d'onde complexe à amplifier. Le signal initial modulé de cette diode Sinit est ensuite pré-amplifié à l'aide d'un préamplificateur PreA comprenant une pluralité d'amplificateurs à fibres 10 dopées Erbium conventionnels (EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier) jusqu'à un niveau de puissance crête compatible avec un transport par fibre FT sur plusieurs mètres sans effets non-linéaires néfastes. Le signal issu de cette pré-amplification puis transporté dans la fibre FT forme le signal S injecté en entrée du dispositif 10 d'amplification hybride. Le déport par fibre 15 optique de cette première partie de la source n'est pas obligatoire mais peut être avantageux dans un grand nombre d'applications embarquées. La diode laser pré-amplifiée émet des impulsions d'enveloppe gaussiennes de largeur à mi-hauteur de 1 ns avec une puissance crête de 100 W à une cadence de 10 kHz. Cette puissance est propagée sans distorsion dans la 20 fibre de transport. On dispose de plus d'un laser de pompage PL à fibre émettant à la longueur d'onde de 1533 nm compatible à la fois du pompage des amplificateurs à fibres dopées erbium et du pompage des amplificateurs cristaux dopés erbium, comme décrit précédemment. Ce type de laser est disponible 25 commercialement. Il s'agit par exemple d'un laser émettant 50 W en continu, qui est un laser à fibre dopé erbium ou un laser à fibre co-dopé ytterbium-Erbium. Le laser de pompage PL génère un signal P qui est couplé avec le signal S à 1617 nm dans la fibre de transport FT à l'aide d'un coupleur à fibre 30 conventionnel réalisé par fusion étirage de fibres ou à l'aide de miroirs diélectriques. Au bout de la fibre de transport FT, on soude un tronçon de fibre dopée erbium FA avec un diamètre de coeur et une ouverture numérique compatibles d'une amplification monomode et permettant d'extraire un maximum d'énergie (typiquement une centaine de micro joules avec un diamètre de coeur de 20 pm et une ouverture numérique de 0.09). En outre, la puissance de pompage à l'entrée de cette fibre amplificatrice est suffisante pour saturer l'absorption dans la fibre FA de sorte que la majeure 5 partie de la puissance de pompage reste disponible en sortie de cette fibre FA (correspondant à Pr) pour l'étage d'amplification suivant dans le cristal CA. En d'autres termes, le laser de pompe PL est configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice FA, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de 10 la fibre amplificatrice FA à la longueur d'onde de pompe Àp tout au long de la fibre. La puissance de saturation Pp,sat définie comme la puissance nécessaire pour exciter la moitié des ions de l'état fondamental vers l'état excité pour l'absorption de la pompe, est donnée par la formule suivante : h v A Pp,sat - e ,pa,p)- 1- 15 Où ae,p et o-e,p sont les sections efficaces d'émission et d'absorption à la longueur d'onde de pompage, z la durée de vie du niveau excité, et A l'aire moyenne du faisceau de pompe dans la fibre. Dans cet exemple, la puissance de 50 W correspond à environ 1000 fois la 20 puissance de saturation à la longueur d'onde de pompe pour la fibre considérée. Par ailleurs, il faut aussi que l'énergie du signal à amplifier à l'entrée de la fibre soit très faible devant l'énergie de saturation de l'émission, et ne devienne comparable à celle-ci qu'en extrémité de la fibre amplificatrice afin 25 de ne pas dé-saturer l'absorption. L'énergie de saturation Es,sat correspond à l'énergie incidente nécessaire à la désexcitation de la moitié des ions excités par émission stimulée, et est donnée par la formule suivante : h. v s. A Cre,sa,$) Où, 0e,s et cra,s sont les sections efficaces d"emission et d'absorption à la longueur d'onde du signal, et A l'aire moyenne du faisceau signal. Es,sat 30 Dans l'exemple pris, l'énergie incidente du signal en entrée de la fibre FA est de 0.1 pJ, l'énergie amplifiée en sortie de fibre FA est d'environ 200 pJ pour 7.5 m de fibre, et l'énergie de saturation Es,sat est d'environ 500 pJ.

On note que la puissance dissipée dans cet amplificateur à fibre FA est suffisamment faible pour pouvoir s'affranchir d'un système de refroidissement et qu'il est donc possible de simplement disposer la fibre amplificatrice FA dans le câble optique à l'extrémité de la fibre de transport. En sortie de l'amplificateur, le signal amplifié Sm et la pompe résiduelle Pr sont automatiquement alignés et avec un très bon recouvrement spatial puisque les deux longueurs d'ondes À0 et Àp sont très proches. Cette configuration permet à l'aide d'une simple lentille de coupler les deux faisceaux Sm et Pr avec le diamètre requis dans le cristal d'Er :YAG pour une dernière étape d'amplification.

Les figures suivantes ont été obtenues par simulation numérique, en utilisant les paramètres spectroscopiques connus des fibres en silice dopées erbium et de la matrice YAG dopée erbium. La figure 12 montre la puissance crête Pc1 (signal SAI) obtenue en sortie de l'amplificateur à fibre FA en fonction de la longueur de cette fibre. La fibre choisie correspond à une fibre dopée erbium disponible commercialement avec un coeur de 20 pm, une ouverture numérique de 0.09, et un niveau de dopage correspondant à une absorption de 120 dB/m à 1532 nm. On obtient une puissance crête de 200 kW (200 pJ) pour une longueur de fibre d'environ 7.5 m. La figure 13 montre l'évolution de la puissance de pompage Pp (signal P) en fonction de la longueur de la fibre FA. Au bout de 7.5 m, la puissance de pompage résiduelle est de Pr = 45 W. La puissance thermique dissipée dans la fibre amplificatrice est donc inférieure à 3 W, ce qui ne demande pas de gestion thermique particulière. Cette valeur de 45 W est suffisamment importante pour que Pr puisse servir à nouveau de de pompe dans le cristal CA. La figure 14 montre la puissance crête Pc2 obtenue en sortie de l'amplificateur CA Er :YAG (signal SA2) en fonction de la longueur du cristal 35 avec une puissance de pompage incidente Pr de 45 W et une puissance crête incidente du signal de 200 kW. On a fait l'hypothèse que les faisceaux avaient un diamètre de 200 pm dans le cristal. On obtient environ 1 MW de puissance crête Pc2 pour une longueur d'interaction de 10 cm et 1.75 MW pour 15 cm. La figure 15 montre l'évolution de la pompe Ppr dans les mêmes conditions. On constate une amplification très importante du signal par le cristal CA. En variante, s'il y a nécessité de refroidir, la fibre amplificatrice il est possible de disposer la fibre FA dans la tête d'émission, par exemple pour une 10 cadence de tir plus élevée. Afin de diminuer la longueur de cristal nécessaire à l'obtention d'une puissance crête donnée, selon un mode de réalisation on réalise un double passage du signal, ou du signal et de la pompe, en utilisant un polariseur 15 Pol, une lame quart d'onde LQO, et un miroir M comme illustré sur la figure 16. Cela suppose d'avoir un faisceau polarisé rectiligne pour au moins le signal et donc l'utilisation en amont de fibres à maintien de polarisation (PM). De même, on réalise 4 passages dans le cristal en remplaçant le polariseur par un isolateur optique et en ajoutant un mirroir. Ces modifications 20 permettent de réduire la longueur du cristal. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un système 100 d'amplification hybride comprenant le dispositif d'amplification hybride 10 qu'un oscillateur laser OL configuré pour générer un signal initial Sinit, et un 25 préamplificateur PreA comprenant au moins une fibre amplificatrice FA1, FA2, FA3... configuré pour amplifier le signal initial Sinit et générer le signal d'entrée S du dispositif 10, tel qu'illustré sur les figures 5 et 6. Comme décrit précédemment, avantageusement l'oscillateur laser OL est une diode laser fibrée soit directement modulée en courant, soit continue et modulée par un 30 modulateur électro-optique externe. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. Avantageusement, l'oscillateur laser OL est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en 35 amplitude.

Avantageusement, le système 100 comprend en outre un laser de pompe PL configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice FA, une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la fibre amplificatrice FA à la longueur d'onde de pompe Àp. Cette condition assure qu'une partie importante de la pompe n'est pas absorbée par la fibre et reste disponible pour le pompage du cristal CA. Avantageusement, comme expliqué précédemment, le laser de pompe PL et l'oscillateur laser OL sont configurés pour que les longueurs d'onde pompe Àp et signal À0 correspondent à l'excitation (pour la pompe) et la dé-excitation (pour l'émission du signal amplifié) d'un même niveau d'énergie de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal CA. Cette propriété assure des longueurs d'onde Àp et À0 suffisamment proches pour que la fibre amplificatrice FA soit monomode pour les deux longueurs d'onde, assurant en sortie de fibre FA un auto-alignement des deux faisceaux, permettant une adaptation de ces faisceaux au diamètre requis dans le cristal CA à l'aide d'une simple lentille, réfractive ou à gradient d'indice. Le laser de pompe peut fonctionner en continu ou en mode impulsionnel.

Avantageusement, le laser de pompe PL comprend un laser à fibre dopé Erbium ou co-dopé Ytterbium-Erbium émettant vers 1533 nm. Ces sources sont disponibles commercialement avec les conditions requises : puissance de 50 W, monomode, et présentant un bon rendement et un faible encombrement.

Selon un autre mode de réalisation le laser de pompe PL est un laser à laser à fibre à effet Raman émettant vers 1480 nm qui correspond aussi à une longueur d'onde de pompage commune aux fibres en silice dopées Er et aux cristaux dopés Er (en particulier le YAG). Ce type de laser, qui est obtenu par cascade Raman à partir d'un laser à fibre Yb, est disponible commercialement. Cette source permet d'avoir plus de gain par unité de longueur, donc de minimiser la longueur de la fibre et donc de permettre plus de puissance crête avec l'apparition d'effets néfastes. Selon un mode de réalisation illustré figure17, le laser de pompe PL du système 100 est en outre configuré pour générer un signal de pompe 35 additionnel Padd couplé avec la sortie de la fibre amplificatrice à l'aide d'un coupleur à fibre additionnel Cadd. Dans ce cas le cristal amplificateur CA est configuré pour amplifier le premier signal amplifié Sm à partir et du signal de pompe résiduel Pr et du signal de pompe additionnel Padd. Cet agencement permet de lever la condition sur la saturation de l'absorption tout au long de la fibre et sur le niveau d'entrée du signal dans la fibre FA, ce qui introduit plus de souplesse pour la conception du dispositif d'amplification.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1 Dispositif (10) d'amplification optique hybride apte à amplifier un signal d'entrée (S) impulsionnel et présentant une longueur d'onde signal (À0) comprise entre 1 et
2. 2.5 pm comprenant : -un coupleur à fibre (FC) configuré pour injecter dans une même fibre le signal d'entrée (S) et un signal de pompe (P) présentant une longueur d'onde pompe (Àp), -une fibre optique amplificatrice (FA) dopée avec un ion terre-rare, connectée au coupleur à fibre (FC), et configurée pour amplifier le signal optique d'entrée (S) par transfert d'énergie à partir du signal de pompe (P) de manière à générer en sortie un premier signal amplifié (SA1) et un signal de pompe résiduel (Pr), -un cristal amplificateur (CA) dopé avec ledit ion terre-rare et configuré pour amplifier le premier signal amplifié (SA1) par transfert d'énergie à partir du 15 signal de pompe résiduel (Pr), de manière à générer un deuxième signal amplifié (SA2), -un adaptateur optique (OA) disposé entre une extrémité de sortie de la fibre amplificatrice (FA) et le cristal amplificateur (CA), configuré pour adapter le premier signal amplifié (SA1) et le signal de pompe résiduel (Pr) au cristal 20 amplificateur (CA). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la fibre amplificatrice (FA) est monomode pour les longueurs d'onde signal (À0) et pompe (Àp). 25
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le coupleur à fibre est configuré pour injecter dans une même fibre monomode le signal d'entrée (S) et le signal de pompe (P).
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 30 coupleur à fibre (FC) comprend une fibre de transport (FT) directement connectée à la fibre amplificatrice (FA).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ion terre rare est l'ion Erbium et dans lequel la longueur d'onde signal est comprise entre 1532 nm et 1617 nm.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le cristal est un cristal de YAG.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice est soudée à un embout (E) 10 dépourvu de coeur et dans lequel l'adaptateur optique comprend une lentille réfractive (Lr).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel l'adaptateur optique (OA) comprend un segment de fibre à gradient d'indice (Lgi) 15 directement soudé à l'extrémité de sortie de la fibre amplificatrice.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un polariseur (Pol) disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart d'onde (LQO) puis un miroir (M) du côté opposé dudit cristal 20 amplificateur, de sorte que l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par double passage. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant en outre un isolateur optique disposé à l'entrée du cristal amplificateur, et une lame quart 25 d'onde (LQO) puis un miroir (M) du côté opposé dudit cristal amplificateur, de sorte que l'amplification du premier signal amplifié s'effectue par quadruple passage. 11. Système (100) d'amplification hybride comprenant le dispositif 30 d'amplification hybride (10) selon l'une des revendications précédentes ainsi qu'un oscillateur laser (OL) configuré pour générer un signal initial (Sinit) et un préamplificateur (PreA) comprenant au moins une fibre amplificatrice (FA1, FA2, FA3) configuré pour amplifier le signal initial (Sinit) et générer le signal d'entrée (S) dudit dispositif (10). 3512. Système selon la revendication 11 dans lequel l'oscillateur laser (OL) est une diode laser fibrée directement modulée en courant, ou modulée par un modulateur électro-optique externe. 13. Système selon l'une des revendications 11 ou 12 dans lequel l'oscillateur laser (OL) est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions d'une durée comprise entre 0.1 et 1000 ns et présentant un taux de répétition variable. 14. Système selon l'une des revendications 11 à 13 dans lequel l'oscillateur laser (OL) est configuré pour générer un signal initial comprenant des impulsions modulées en fréquence et/ou en amplitude. 15. Système (100) selon l'une des revendications 11 à 14 comprenant en outre un laser de pompe (PL) configuré pour générer un signal de pompe qui présente, en entrée de la fibre amplificatrice (FA), une puissance supérieure à la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la fibre amplificatrice (FA) à la longueur d'onde de pompe (Àp), 16. Système selon la revendication 15 dans lequel le laser de pompe (PL) et l'oscillateur laser (OL) sont configurés pour que respectivement les longueurs d'onde pompe (Àp) et signal (À0) correspondent respectivement à l'excitation et la dé-excitation d'un même niveau d'énergie de l'ion terre-rare dans la matrice du cristal. 17. Système selon l'une des revendications 15 ou 16 dans lequel le laser de pompe (PL) comprend un laser à fibre dopé Erbium ou co-dopé Erbium-Ytterbium émettant vers 1533 nm. 18. Système selon l'une des revendications 15 à 17 dans lequel le laser de pompe (PL) est en outre configuré pour générer un signal de pompe additionnel (Padd) couplé à la sortie de la fibre amplificatrice (FA) à l'aide d'un coupleur à fibre additionnel (Cadd) et dans lequel le cristal amplificateur (CA) est configuré pour amplifier le premier signal amplifié (Sm) à partir et du signal de pompe résiduel (Pr) et du signal de pompe additionnel (Padd).