Conception de fibre à gaine microstructurée par des plots de germanium
pour application aux sources de forte puissance
L Lavoute
1
, P Roy
1
, A. Desfarges Berthelemot
1
, V. Kermene
1
,
1 :
IRCOM, UMR CNRS n°6615, 123 Avenue A. Thomas, 87060 Limoges
lavoute@ircom.unilim.fr
Les multiples évolutions des fibres dopées aux terres rares, ont permis de démontrer la pertinence de la
technologie fibre pour fabriquer des sources laser compactes, robustes et fiables, y compris pour des applications
nécessitant de fortes puissances d'émission. Le confinement du faisceau et l'excellente dissipation thermique
apportée par les fibres, rendent cette technologie très attractive au point de concurrencer, voire supplanter les
lasers massifs. Ainsi, des puissances pouvant dépasser le kW en régime continu ont été obtenues récemment
avec des lasers fibrés.
La puissance des premiers lasers à fibre monomode pompée par le coeur était principalement limitée par
les puissances de pompage disponibles, n'excédant pas les 500 mW pour une diode laser monomode.
L'apparition des fibres à double gaine a donc permis de franchir un premier pas décisif vers une augmentation de
la puissance émise, en offrant la possibilité de guider les rayonnements puissants émis par les diodes laser
multimodes, ceci grâce à la présence d'un polymère bas indice entourant la fibre classique, jouant le rôle, à la
fois de protection mécanique et de gaine optique. Ce type de fibre délivre en effet, des puissances pouvant
atteindre plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de Watts, émises qui plus est, sur des faisceaux de grande
qualité spatiale. Cependant la montée en puissance reste limitée dans ces fibres. En effet, la présence du
polymère peut conduire, par échauffement, à la destruction de la fibre, et ne permet pas de plus, d'avoir accès à
des ouvertures numériques de la gaine interne supérieures à 0.48. Le développement des fibres microstructurées
a permis par la suite de lever ce verrou en réalisant des gaines externes à grande proportion d'air qui guident les
fortes puissances, et ainsi permettent de s'affranchir des problèmes d'échauffement liés à la présence du
polymère. De plus les ouvertures numériques accessibles peuvent atteindre 0.8 ce qui permet de coupler de façon
efficace le rayonnement de pompage dans la gaine interne de la fibre. Un autre facteur limitant à la montée en
puissance est le diamètre du coeur puisqu'il conditionne la quantité de dopant et fixe le seuil d'apparition des
effets non-linéaires. Que la fibre soit microstructurée ou à double gaine, les technologies actuelles limitent, pour
une émission monomode, le diamètre du coeur à une trentaine de micromètres. Au-delà les pertes par courbure
deviennent critiques.
Pour dépasser les performances des fibres actuelles, il faut pouvoir augmenter encore la densité d'ions
amplificateurs et repousser le seuil d'apparition des effets non linéaires qui restent dans ces fibres un facteur
limitant de la montée en puissance. Etant donné que l'augmentation de la longueur de la fibre n'est pas une
solution envisageable pour augmenter le volume du milieu amplificateur, car elle favoriserait l'apparition d'effets
non linéaires pénalisants, nous avons choisi d'étudier une structure présentant un gros coeur fortement dopé.
Cependant, si l'on veut préserver le caractère monomode du faisceau, il nous faut limiter la différence d'indice
entre le coeur et la gaine. Pour ce faire plutôt que de codoper le coeur pour en diminuer l'indice, ce qui limite la
concentration en ions dopants, nous avons choisi de relever l'indice de la gaine par le biais d'un dopage au
germanium. Ce dopage de la gaine interne augmente de surcroît son ouverture numérique en augmentant le
contraste d'indice avec la gaine externe, qu'elle soit constituée d'un polymère bas indice ou d'air. L'efficacité de
pompage de la fibre est en conséquence améliorée.
Figure 1 : Représentation en isovaleurs de
la répartition d'indice de réfraction de la
structure étudiée
Figure 2 : mode unique se propageant dans la
structure
25