Conception et caractérisation d'un laser accordable à

118 Pages·2000·5.91 MB·French

Marie-Josée Picard
Conception et caractérisation d'un laser accordable à
verre CO-dopàé l'erbium et à l'ytterbium
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures
de l'université Laval
pour l'obtention
du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
Centre d'optique, p hotonique et laser (COPL)
Département de génie électrique et de génie informatique
FACULTE DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERS& LAVAL
QUÉBEC
O Marie-Josée Picard, 2000
(*m
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RÉSUMÉ COURT
Ce projet a consisté en la conception et la réalisation d'un laser à verre CO-dopée rbium et
ytterbium (Er: Yb). Ce laser a une longueur d'onde d'émission autour de 1533 nn, longueur
d'onde contenue dans la troisième fenêtre des communications par fibres optiques. Le laser.
possédant une efficacité quantique de 9.4%. délivre une puissance optique de l'ordre de 4
mW. Le faisceau laser généré a une distribution spatiale gaussienne avec une divergence de
20 rnrad.
Sans filtre sélectif en longueur d'onde, le laser possède plusieurs modes longitudinaux
espacés de O. 1 nm ( 13 G Hz). Pour obtenir une émission laser monomode. un étalon Fabry-
Perot de 100 prn d'épaisseur a donc été utilisé. L'espacement entre chacun des pics de
résonances de l'étalon est de 8.15 nm.
Comme la plupart des lasers à état solide et à semi-conducteurs. le laser est soumis à des
oscillations amorties lorsqu'il est perturbé. Une étude approfondie de ce régime transitoire
a été effectuée.
La polarisation du laser a égaiement fait l'objet d'une analyse. Deux modes de polari-
sation croisée oscillent simultanément dans la cavité laser. Les fréquences de ces modes en
régime transitoire sont de 100 et 20 kHz pour le taux de pompage maximal.
RÉSUMÉ LONG
Ce projet a consisté en la conception et la réalisation d'un laser à vem CO-dopée rbium et
ytterbium (Er:Yb).
Dans un premier temps, une étude théorique des diverses composantes de ce type de laser
a été effectuée. Cette étude a permis de choisir les caractéristiques optimales de chacune des
composantes. Parmis ces dernières on compte, entre autre. les concentrations de dopants et
la longueur du milieu de gain que constitue le verre Er:Yb. les coefficients de réflexions de la
cavité laser, le rayon de courbure du miroir de sortie, la taille du faisceau pompe et le choix
de l'élément sélectif en longueur d'onde.
Par la suite, le milieu de gain a été étudié expérimentalement. Son spectre d'absorption
autour de la longueur d'onde de pompe, le temps de vie des ions au niveau excité dans le
verre et le spectre de fluorescence du verre ont été mesurés.
Puis le laser fut mis en opération en utilisant une méthode basée sur l'observation de la
dynamique d'oscillation laser. Cette dynamique possède des oscillations d'intensité péri-
odiques amorties typiques pour des lasers à verre et à semi-conducteur.
Ensuite le laser a iti caractérisé dans le cas de son fonctionnement multimode et monomode
longitudinaux. L'efficaciii quantique du laser est de 9.4%. La puissance optique maximale
délivrée est de 4.6 mW pour un fonctionnement multimode et de 3.7 mW dans le cas du
fonctionnement monomode. Dans le régime multimode, une quinzaine de modes espacés de
O. L nrn coexistent autour d'une longueur d'onde d'émission de 1533.5 nm. Le laser émet à
une longueur d'onde située entre 1532.2 nm et 1537 nm dans le cas du régime monomode.
Le faisceau à la sortie laser est une bonne approximation d'un faisceau gaussien avec une
divergence de 15 mrad.
Finalement, la polarisation du laser a été étudiée. Ce laser, lorsqu'il fonctionne avec le
filtre sélectif en longueur d'onde, possède deux modes de polarisation croisée. Lorsqu'on
observe la dynamique de chacun de ces modes, on observe deux périodes de fluctuations
d'intensité. Ce phénomène est prisent seulement lorsque les deux modes de polarisation
sont isolés l'un de l'autre. Une analyse des causes de ces observations a été effectuée.
J'aimerais d'abord remercier mon directeur de maîtrise le Dr. Michel Têtu pour la con-
fiance qu'il m'a accordée en me proposant ce projet qui est une avenue toute nouvelle au
laboratoire. La grande latitude d'action qu'il laisse à ces étudiants est grandement appré-
ciée. Je veux également remercier l'aide apporté par le Dr. Michel Piché. Les conseils
qu'il m'a prodigués lors de nos rencontres improvisées m'ont aidé à comprendre le fonction-
nement du laser et à analyser mes résultats. Un remerciement également au Dr. Guy-Michel
Stéphan pour m'avoir conduit vers l'étude de la polarisation du laser.
Parmis les habitants du laboratoire, il y a une personne que je me dois de nommer en
tout premier lieu. 11 s'agit de Christine Latrasse, attachée de recherche, qui est toujours là
pour répondre aux "urgences''. 11 y a également Lionel Pujol qui m'a enseigné l'art de
l'alignement d'une cavité laser. Sa patience exemplaire y est pour beaucoup quant à la
réalisation dans les temps du projet. Merci aussi à tous les autres étudiants qui m'ont fourni
un support autant technique que moral.
Merci à Yvon Chalifour et ses aides qui m'ont grandement aidée tout au long de mon
projet, pour la réalisation complexe de la monture mécanique de la cavité laser.
Merci à monsieur Gregory Schinn et à l'implication de la compagnie W o I ngénierie
Électm-~~tid~aunes ce projet. L'intérêt qu'ils ont portés en ce projet fut grandement ap-
précié. Les quelques recentres que nous avons eues m'ont permis de me familiariser avec
1' industrie.
Merci à ma famille et à mes amis qui m'ont toujours supportée et qui occupent une grande
place dans ma vie.
Je désire enfin souligner la contribution financière et matérielle du CRSNG, d'EXFO et
du COPL.
v
TABLED ES MATIÈRES
Résumé court . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Résumé long . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
TaMe des matières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
Liste des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introduction 1
Chapitre 1 : Le verre CO-dopé& :Yb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Système laser à 3-niveaux 6
1 .I . 1 Transitions Yb Er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
-t
1.1.2 Équations des taux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Paramètres optimaux 9
1.2 Caractérisation du verre CO-dopéE r Yb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Temps de vie 10
. . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Spectre d'absorption autour de 980 nrn 12
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Spectre d'émission 13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chapitre 2 : La diode laser pompe 16
. . . . . . . . . . . . . .
2.1 Diodes laser utilisées comme sources de pompage 16
. . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Modes latéraux d'une diode laser à ruban large 18
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Modèle théorique 18
. . . . . . . . . . . .
2.2.2 Observation des résultats du modèle théorique 20
vii
2.2.3 Causes physiques des ondulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2
2.2.3.1 Viu-iations de t'indice causées par les porteurs . . . . . . . 2 3
2.2.3.2 Instabilités dues à la focalisation et la défocalisation . . . . 2 5
2.2.3.3 Comparaison entre les mécanismes non-linéaires . . . . . . 2 6
2.2.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7
2.3 Caractéristiques du laser pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Caractéristique puissance optique versus courant d'injection . . . . . 2 8
2.3.2 Spectred'émissionlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Divergence à la some de la fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . 3 2
Chapitre 3 : La configuration du laser Er:Yb . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Cavité laser de type Fabry-Perot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5
3.1.1 Cavité froide: Modes longitudinaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Milieu de gain et staturation spatiale inhomogène (spatial hole burning) 36
3.2 Fonctionnement monomode du laser grâce à un élément sélectif en longueur
d'onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Choix d'un élément sélectif en longueur d'onde . . . . . . . . . . . 3 8
3.2.2 Finesse de la cavité avec un étalon Fabry-Perot . . . . . . . . . . . . 4 1
3.3 Réalisation d'un accord continu en longueur d'onde . . . . . . . . . . . . . 4 3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Les pertes de la cavité laser 45
3.4. t Pertes relatives au vene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5
3.4.2 Pertes par walk-offd e l'étalon Fabry-Perot . . . . . . . . . . . . . . 4 5
3.5 Modélisation de la taille du mode fondamental dans la cavité laser . . . . . . 4 7
3.6 Effets thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.1 Variation du profil d' indice de réfraction . . . . . . . . . . . . . . . 5 1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2 Dilatation thermique 53
. . .
3.6.3 Muence de la lentille thermique sur le fonctionnement du laser 54
3.7 Optique à la sortie du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Chapitre 4 : Mise en opération du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6
4.1 Méthode d'alignement de la cavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7
4.1.1 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 Dynamique d'un laser à état solide . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Procédure à suivre pour un bon alignement . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
Chapitre 5 : Caractéristiques du laser CO-dopée rbium et ytterbium . . . . . . 6 5
5.1 Spectredulaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.1 Fonctionnement rnultirnode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.2 Fonctionnement monomode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 Efficacité du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3 Profil en champ lointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2
5.4 Étude des types de variations temporelles de l'intensité laser . . . . . . . . . 7 5
5.4.1 Fréquence des oscillations de la dynamique . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.2 Fluctuations en pompage continu (CW) . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4.3 Mode de fonctionnement pulsé parle gain (Gain switched) . . . . . . 7 8
5.5 Accord continu en longueur d'onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Chapitre 6 : Étude de la du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1
6.1 Notions théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 1
6.2 Mesures expMmentales de la polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3 Discussion des résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4
Condusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0
Annexe A : Propriétés du verre Er:Yb données par le fournisseur KIGRE . . . 9 4
Annexe B : Monture de la cavité laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6
Annexe C : Taille du mode fondamental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bibliographie 103
LISTE
DES FIGURES
............................................
Niveaux des transitions dans le verre pompé à 980 nm
.......................................................................
Montage de mesure du temps de vie
..........................................................................................................
Temps de vie
Montage de la mesure du spectre d'absorption autour de 980 nm ...........................
Spectre d'absorption pour k autour de 980 nm .......................................................
............................................................
Spectre de fluorescence autour de 1533 nm
Spectre de fluorescence autour de 1 pm ..................................................................
Divergence d'une diode laser en champ lointain ......................................................
..............................................................................
Schéma d'un laser à ruban large
Puissance de sortie en fonction du courant appliqué d'un laser idéal. ......................
.................................................................
Champs proche et lointain du 7jLmm ode
........... .. ........................................
Profüs latéraux des champs proche et lointain
Représentation de la région stable du laser dans le plan o - ...............................
Représentation de la région stable du laser dans le plan o - n2 .................................
.............................................................
Montage pour la mesure du champ lointain
. .
Champ lomtam mesuré ...........................................................................................
....................
Puissance optique du laser pompe en fonction du courant d'injection
..............................................................................
Spectre typique du laser pompe
......................... .. .......................................
Divergence du faisceau pompe uthé
..
............ ..........
Schéma simpliné du laser à verre CO-dopài l'erbium et ytterbium
Modes longitudinaux de la cavité laser. ...................................................................
..................................................
Section efficace en fonction de la longueur d'onde
. . . .
.....................................................................
Schéma d'un filtre a cnstaux Iiquides