Tutoriel : laser à fibre

Laser à fibre: ce tutoriel donne une vue d’ensemble des technologies généralement utilisées pour fabriquer un laser à fibre. Il explique les composants clés et les choix pour son architecture généralement utilisés dans le développement de lasers à fibre continus ou impulsionnels. Ce tutoriel explique également les performances optiques clées associées aux différentes techniques qui peuvent être utilisées

Principes du laser à fibre :

Un laser à fibre est en laser dans lequel le milieu amplificateur est une fibre optique. Il s’agit d’un module actif (comme un composant actif en électronique) qui nécessite d’avoir de la puissance et qui utilise les propriétés d’amplification optique des ions terres rares.

Le composant de pompe est généralement une diode laser fibrée. Deux types d’architectures peuvent être utilisés :

  • Des configurations avec cavité laser où la lumière se propage dans les deux directions du milieu amplificateurs.
  • Des configurations appelées MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) où une petite cavité oscillateur (appelée « Seeder ») génère un petit signal qui est ensuite amplifié dans la fibre faisant office de milieu amplificateur.
Fiber laser Principle laser cavity configuration
Figure 1 : Laser à fibre avec configuration de cavité laser
Fiber laser MOPA principle
Figure 2 : Laser à fibre en configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) - version simple étage

Composants clés des lasers à fibre :

Cette section explique les différents éléments montrés dans les figures 1 et 2. Cette section inclut quelques examples de fournisseurs, catégories et choix offerts.

Milieu amplificateur à fibre

Comme tout type de laser, un laser à fibre utilise le principe d’émission stimulée. La majorité des lasers à fibre sont fabriqués par agencement de composants fibrés.

Les fibres associées avec ces différents composants sont appelées « fibres passives ». Les fibres passives n’ont pas de propriété d’amplification. Les fibres au coeur du milieu amplificateur sont quant à elles appelées « fibres actives ». Les fibres actives sont dopées aux ions terres rares (comme l’Eribum, l’Ytterbium ou le Thulium) qui vont permettre l’émission stimulée en transformant la puissance de la diode laser de pompe en puissance laser.

Les longueurs d’onde de pompage pour l’Ytterbium (Yb3+) ou l’Erbium (Er3+) sont généralement de 915 ou 976 nm tandis que la longueur d’onde d’émission se situe pour l’Er3+ autour de 1.5 µm et pour l’Yb3+ autour de 1030-1100 nm.

Fiber lasers energy levels
Figure 3 : Niveaux d'énergie et spectres associés d'absorption / émission (seulement Yb3+ à droite) pour un milieu amplificateur à fibre - l'effet combiné de l'absorption et de l'émission produit une zone d'émission favorable pour l'Yb3+ autour de 1030 et 1100 nm suivant le ratio de l'inversion de population des ions.

Deux types de fibres actives sont généralement utilisés :

  • Fibres simple gaine (single clad) / monomode où la puissance de la diode laser de pompe est compatible avec des diodes laser fibrées monomodes (<1W)
  • Fibres double gaines (double clad fibers : DCF) lorsque la puissance de la diode laser de pompe est typiquement supérieure à 1W
Fiber laser multiclad fiber
Figure 4 : Principe d'une diode laser fibrée monomode ou multimode pompant une fibre active simple gaine ou double gaine

Quatre fabricants de fibres actives sont donnés ci-dessous :

  • iX-Blue: fournisseur en France
  • Nufern: fournisseur aux Etats-Unis (CT)
  • Coractive: fournisseur au Canada
  • NKT: fournisseur au Danemark [for very special PCFs – Photonics Crystal Fibers]

Diodes laser de pompe

Les diodes laser fibrées pour le pompage généralement utilisées dans les lasers à fibres sont basées sur les technologies à semiconducteur III-V AlGaAs émettant dans la gamme 800-1000 nm (très souvent 915 ou 976 nm – voir les courbes d’asorption de la figure 3).

Elles peuvent être séparées en deux familles principales :

Les diodes laser fibrées monomode où la lumière provient d’une structure résonnante émettant par la tranche (edge-emitting) et qui est ensuite focalisée dans une fibre de ~6 µm de coeur. Ce type de diode laser est généralement monté dans un boitier papillon (appelé butterfly package) contenant un Peltier (TEC) de régulation en température intégré (la tendance voudrait aujourd’hui à la diminution de la taille du boîtier). Ces diodes laser fibrées sont généralement capables d’émettre 300 mW à 1,5W. Elles sont utilisées pour pomper une fibre active simple gaine (voir figure 4).

Les principaux fournisseurs de diodes de pompe monomode à 915 / 976 nm sont des entreprises ayant connues une forte croissance dans les années 1990 avec le marché des télécommunications (EDFAs: Erbium Doped Fiber Amplifiers). Ils offrent à la fois un haut niveau de fiabilité, robustesse à un coût modéré du fait de la production en volume pour l’industrie des télécommunications.

Fiber laser singlemode diode
Figure 5 : exemple d'une fibre couplée monomode à 976 nm du fournisseur français 3SP technologies (crédit photo 3SP technologies)

Les diodes laser fibrées multimode utilisées pour les laser à fibre sont généralement basées sur des puces avec une émission latérale large (broad area side emitting laser diode chips) Elles peuvent également être séparées en deux catégories :

  • Les diodes laser à simple émetteur (single emitters) dans laquelle une seule puce laser émettant jusqu’à 15W est couplée dans une fibre de 105 (coeur) / 125 µm (gaine).
  • Les diodes laser à émetteurs multiples (mutli emitters) qui contiennent plusieurs puces laser dont la lumière est ensuite couplée dans une seule fibre (105/125 également très souvent) et pouvant émettre jusqu’à plusieurs centaines de Watts.
Fiber laser lumentum diodes
Figure 6 : Exemples de diodes laser fibrées multimode de pompage utilisées pour les laser à fibres (à gauche :entreprise II-VI laser 10W @ 976 nm ; à droite : Lumentum 200W @ 915 nm) (crédits photo de II-VI laser et Lumentum).

On peut noter comme le montre la figure 3 que le spectre d’absorption de l’ion terre rare Yb3+ à 976 nm est étroit ce qui nécessite une diode laser à longueur d’onde stable. Cette stabilité en longueur d’onde implique que la température de la diode laser soit contrôlée et souvent que la diode laser comprenne un élément de stabilisation en longueur d’onde supplémentaire. Cet élément est généralement un réseau inscrit dans la fibre (FBG : Fiber Bragg Grating) pour les diodes laser monomodes (partie spécifique de la fibre située à environ 1 mètre de la diode laser), ou un réseau en volume (VBG : Volume Bragg Grating) pour les diodes laser multimodes. Le VBG est un morceau de verre spécifique intégré au boîtier de la diode laser.

Voici une courte liste de trois fabricants très réputés de diodes laser de pompe :

Le prix des ces diodes est généralement autour de 1000$ pour un diode monomode et de 500$ pour une diode multimide à émetteur simple et 2000$ pour des diodes à émetteurs multiples.

Piloter une diode laser en prenant en considération les contraintes et spécifications d’un laser à fibre est un élément primordial et difficile ce qui nécessite des produits adaptés et spécialisés. Voici deux pilotes de diodes laser qui ont été spécialement conçus pur le pilotage de diodes laser dans les laser à fibre et qui sont à la fois compatible pour des développements R&D mais aussi pour l’intégration complète en produit d’un laser à fibre.

  • La carte Centrale d’AeroDIODE (lien : pilote pour les diodes d’un laser à fibre) est au centre de tous types d’architectures de lasers à fibre. Ce pilote permet de contrôler, en courant et en température, 2 diodes laser à la fois en continu (CW) et en impulsionnel. On peut également y connecter jusqu’à 6 photodiodes pour la mesure et le contrôle de la puissance au sein des différents étages d’amplification du laser à fibre.
  • Le CCM (Cool and Control Multimode) d’AeroDIODE (lien : driver pour diodes de puissance) est complètement adapté au pilotage d’une ou plusieurs diodes laser de pompe (à la fois des émetteurs simple et multiples) et inclut le pilotage d’un élément de régulation de la température (TEC) du laser (pilotage Peltier) et une dissipation par convection à air forcée.
Fiber laser diode driver
Figure 7 : Les drivers AeroDIODE pour piloter des diodes laser et optimisés pour le développement des lasers à fibre. Carte Centrale de pilotage de diodes laser monomode
Fiber laser high power driver
Module CCM de pilotage de diodes laser de haute puissance multimode

Seeder optique

Les lasers à fibre de type MOPA ont un élément appelé « seeder » qui va fixer les caractéristiques optiques qui seront amplifiées au travers des différents étages d’amplification (Figure 2).

Le seeder optique est l’élément principal des lasers à fibre qui comporte différentes architectures possibles. Il y a donc plusieurs type d’architectures pour le « seeder ». On peut citer : les diodes laser pilotées en continu ou en impulsionnel, une diode laser suivie d’une modulation haute vitesse externe (voir notre tutoriel : modulateurs à fibre haute vitesse), une cavité Q-switch, une cavité à mode bloqué, un oscillateur à cristal comme un microchip et beaucoup d’autres approches. Ces différentes architectures de seeder sont décrites dans le § III (page 9). Seulement la modulation directes d’une diode laser est décrite dans ce paragraphe.

Comme décrit dans la Figure 3, la longueur d’onde de la diode laser seeder doit être compatibe avec le gain du milieu amplificateur. La table suivante donne les différentes gammes de longueur d’onde qui peuvent être amplifiées par le dopant du milieu actif de de la fibre active

Table 1 : La gamme spectrale d’amplification pour le laser à fibre dépend du dopant terre rare utilisé dans la fibre active

Dopant

Gamme d’amplification laser

Yb3+

1030-1100 nm

Er3+

1530-1620 nm

Tm3+

1800-1900 nm

Nd3+

1050-1090 nm

Un résumé des types communs de seeder à diode laser est présenté :

  • Une diode laser standard pour « seeder » est généralement une cavité partiellement réfléchissante à semi-conducteur intégrée dans un boitier à 14 pattes de type papillon (butterfly). La longueur donde d’émission dépend du réseau à Bragg ajouté. La largeur spectrale d’émission dans réseau de Bragg est de typiquement 3-5mm, tandis qu’elle est beaucoup plus fine(~<0.1nm) avec un réseau de Bragg. La longueur d’onde centrale d’émission peut être modifiée par la température à raison de typiquement 0,35nm/°C sans Bragg tandis que cette variation est beaucoup plus faible avec un réseau de Bragg.
  • Les diodes laser DFB ou DBR ont un réseau de Bragg pour la stabilisation en longueur d’onde inscrit au sein de la puce de la diode laser de seed. Ceci permet une émission encore plus fine, typiquement 2 MHz pour un DFB (i.e. ~10-5nm).
Fiber laser Eagleyard
Figure 8: Exemple d'une diode laser DFB seeder @ 1064nm provenant d'Eagleyard Photonics. (probablement la fiche technique pour les diodes laser DFB la plus détaillée du marché)[Courtesy of Eagleyard].

Quand elles sont utilisées en régime impulsionnel, ces diodes laser peuvent être amplifiées avec de très haut niveau de gain.

Une courte liste de fournisseurs réputés de diode laser seeder est donnée ci-dessous :

Diode / combineur de fibres

Pour coupler la lumière issues d’une diode laser fibrée dans un milieu actif fibré est un processus compliqué. Cela est particulièrement vrai dans les configurations MOPA (Figure 2) dans lesquelles à la fois la source d’injection (seeder) et la lumière de pompe doivent être injectées.

Les composants utilisées pour le couplage sont différents pour une diode laser fibrée monomode et une diode laser fibrée multimode.

Pour le pompage de diodes laser monomide, deux types de composants sont généralement utilisés :

  • Coupleur TAP/WDM’s : ils sont basés sur le principe de la fusion et rotation de deux fibres ensembles afin que les modes des deux fibres puissent êtres couplés jusqu’à ce que les performances visées soient atteintes. Une grande limitation vient ici de la séparation de longueur d’onde minimale nécessaire pour obtenir de bonnes performances de couplage à partir de deux longueurs d’onde différentes. Une différence de plusieurs centaines de nanomètres est généralement nécessaire.
  • WDM à couche mince (multiplexeurs à division de longueur d’onde): il s’agit de la solution à utiliser lorsque les coupleurs TAP ne fonctionnent pas. Ces composants sont basés sur la technologie de couches minces dichroïques pour leur capacité de transmission / réflexion. La lumière n’est pas réellement dans la fibre lorsqu’elle est à l’intérieur du composant, mais nous le considérons comme un composant fibré.
Fiber laser WDM component
Figure 9: Exemple de coupleur TAP (gauche) et d'un WDM à couche mince (droite) utilisé typiquement dans les lasers à fibre

La combinaison de la lumière d’une ou de plusieurs diodes laser à fibre multimode avec un seeder monomode est une tâche très difficile. Cela devient encore plus difficile lors de l’utilisation de fibres spéciales comme les PCF (Photonics Crystal Fibers). De nombreuses technologies utilisent le principe de fusion de plusieurs fibres dans un tube de verre spécial.

Fiber laser combinor
Figure 10: Exemple d'un combineur de pompe multimode provenant d'ITF (à gauche) et illustration d'un principe de combineur 6 + 1 vers 1 (avec l'aimable autorisation d'ITF & OFS)

Beaucoup de fournisseurs asiatiques offrent ce type de composants. Quatre fournisseurs réputés sont listés ci-dessous. Les deux premiers fournisseurs sont plus spécialisés dans les composants monomodes alors que les deux derniers sont plus connus pour leurs combineurs multimodes :

Milieu réfléchissant / Milieu filtrant

  • Milieu réfléchissant – Miroir à réseau de Bragg

Un composant clé qui est largement utilisé dans les lasers à fibres est un réseau de Bragg, qui est une perturbation périodique ou apériodique de l’indice de réfraction dans le cœur d’une fibre optique. Ceux-ci sont généralement fabriqués en éclairant une fibre de Germanosilicate avec une lumière UV.

Le réseau de Bragg permet tout type de spectre de réflexion / transmission en fonction de la façon dont l’éclairage UV à fibre est conçu.

Pour les cavités laser telles que décrites sur la figure 1, un réseau de Bragg est utilisé pour fournir un miroir réfléchissant total ou partiel pour construire une cavité laser.

Fiber laser bragg grating
Figure 11: Principe d'une fibre à réseau de Bragg et exemple d'un fournisseur de fibre à reseau de Bragg (crédit photo iXblue)
  • Milieux filtrants – Filtres à réseaux de Bragg

Les lasers à fibre (en particulier les configurations MOPA) sont confrontés à un effet indésirable appelé ASE (Amplified Spontaneous Emission). Il s’agit d’un effet d’amplification bidirectionnel à partir d’un faible niveau de lumière qui rivalise négativement avec l’amplification de la lumière du seeder. Un spectre d’ASE corrélé avec le spectre de gain d’un dopant aux terres rares. Il est donc très large et l’intensité augmente de façon non linéaire le long de la longueur de fibre.

Étant donné que le spectre du seeder est généralement beaucoup plus étroit que le spectre ASE, il est pertinent d’ajouter certains dispositifs de filtrage le long du laser à fibre de sorte que les pertes du spectre ASE soient plus élevées que le gain à ces longueurs d’onde, tout en permettant à la lumière du seeder de traverser.

Fiber laser competing gain
Figure 12: Exemple de l'effet d'une compétition de gain entre une amplification d'un seeder étroit à 1064 nm large ASE avec effet du réseau de Bragg pour le filtrage. (Numata, Kenji et al. J.Phys.Conf.Ser. 228 (2010))

Milieu de modulation

Historiquement, les deux configurations alternatives de la figure 1 (cavité) et de la figure 2 (MOPA) étaient respectivement associées aux lasers à fibre continus et aux lasers à fibre pulsés. Ce n’est plus le cas car de nombreuses architectures continues de haute puissance utilisent le principe de l’amplification MOPA et certaines configurations pulsées sont réalisées dans une cavité unique sans amplificateur par la suite.

La fabrication d’un laser à fibre pulsée dans une configuration de type cavité nécessite un milieu de perte à corrélation temporelle qui est soit un absorbant saturable (comme les principes d’architecture Q-switch ou Mode-lock décrits au § III) soit un support de commutation synchronisé pour une perte active.

Le composant de commutation peut être soit un AOM (Acousto-Optic Modulator), un EOM (modulateur électro-optique) ou un SOA piloté en régime impulsionnel. Ces 3 technologies de modulation de fibre à haute vitesse sont comparées dans un autre didacticiel intitulé «Bases des modulateurs fibrés à haute vitesse».

Fiber laser modulator
Figure 13: Exemple de composants de modulation fibrés [Modulateur Acousto-Optique (gauche), Modulateur Electro-Optique (milieu) et Amplificateur Optique à Semi-conducteur (droite)] (crédit photo de G&H, iXBlue & Innolume)

Autres composants

Les lasers à fibre comprennent généralement certains composants de mesure et contrôle afin de vérifier en permanence le niveau de puissance à chaque étage. Les photodiodes fibrées sont de tels composants. Il est souvent nécessaire de comprendre comment une photodiode se comporte en temporel (vitesse) et d’autres paramètres tels que la température, etc. Il est utile d’avoir une fiche de référence bien détaillée, car de nombreux paramètres techniques des photodiodes sont similaires les uns aux autres. Une référence bien détaillée de photodiode InGaAs avec 10 pages de fiche technique est la EPM 6xx Series de Lumentum.

Fiber laser photodiode
Figure 14: Photodiodes InGaAs de la série EPM de Lumentum: probablement la fiche technique de photodiode fibrée la plus détaillée sur le marché aujourd'hui (crédit photo Lumentum).

Typiquement, un laser à fibre MOPA pulsé haute puissance nécessite au moins 5 photodiodes impliquées dans la surveillance du laser à fibre et pour diverses fonctions de sécurité et interlock internes:

  • 1 photodiode pour contrôler la puissance moyenne du seeder
  • 1 photodiode rapide pour surveiller (watch-dog) les impulsions du seeder et lancer certaines sécurités très rapidement lorsqu’une impulsion est manquante.
  • 1 photodiode à chaque étage qui contrôle la puissance moyenne, et en particulier de part et d’autre du module de prélèvement d’impulsions si il fait partie du laser
  • 1 «BFM» (Back-Facet Monitor) pour contrôler la puissance de retour du laser à fibre
  • 1 ou 2 photodiodes de sortie (fibrées ou non fibrées lorsque le niveau de puissance ne permet pas de dispositifs fibrés).

Toutes ces photodiodes sont impliquées dans une procédure spéciale de démarrage et d’extinction afin d’éviter que le laser à fibre ne soit endommagé.

L’effet destructeur majeur qui doit être bien contrôlé dans une configuration MOPA à un ou plusieurs étages serait dans le cas potentiel où la diode laser de pompage est toujours allumée alors que le seeder n’a aucune émission. Cela créé immédiatement des impulsions géantes qui induisent des dommages permanents dans le laser à fibre.

La carte centrale d’AeroDIODE a ~ 50 fonctionnalités électroniques spéciales qui corrélées avec tous les composants des lasers à fibre décrits ci-dessus permet de créer presque n’importe quel type d’architecture de laser à fibre décrit ci-dessous:

Fiber laser diode driver inputs-outputs
Figure 15: La carte centrale d'AeroDIODE a ~ 50 fonctionnalités électroniques spéciales liées à tous les composants pour lasers à fibre décrits ci-dessus pour créer presque n'importe quel type d'architectures à laser à fibre décrites ci-dessous

Architectures des laser à fibre :

Introduction

Les différentes architectures présentées ci-dessous sont destinées à fournir au lecteur un aperçu des contraintes typiques qui dictent certaines architectures typiques des laser à fibre. Bien sûr, de nombreuses variantes existent et un bon logiciel de simulation comme « RP-Fiber-Power » est obligatoire pour déterminer la meilleure architecture.

Notez que pour des raisons de clarté, les isolateurs (à chaque étape) et les photodiodes de surveillance ne sont pas représentés dans les figures ci-dessous.

Lasers à fibre continu

Les lasers à fibre CW sont généralement fabriqués par une simple cavité basée sur un réseau de Bragg à pompage final avec certains étages d’amplification lorsqu’il existe des exigences spécifiques contraignant les caractéristiques de sortie optique (c’est-à-dire la longueur d’onde, etc.)

Une architecture de laser à fibre continu typique est illustrée à la figure 14 ci-dessous. Une cavité à pompage multiple est utilisée pour générer un niveau de puissance élevé. Il est généralement préférable de prendre une très grande longueur de fibre pour maximiser l’absorption et éviter toute lumière résiduelle des deux côtés du réseau qui pourrait provenir des pompes de l’autre côté.

Le choix d’une grande longueur de fibre réduit le niveau d’inversion global au sein de la fibre active. Comme expliqué sur la figure 3, l’effet combiné de l’absorption et de l’émission rend la zone d’émission la plus favorable pour Yb3+ entre 1030 et 1100 nm en fonction du taux d’inversion de population des ions. Plus le niveau d’inversion est bas, plus la longueur d’onde augmente. C’est la raison pour laquelle la longueur d’onde d’un laser à fibre continu de classe KW est généralement supérieure à 1080 voire 1010 nm.

Fiber laser CW
Figure 16: Architecture typique d'un laser à fibre CW

Un laser à fibretypique de haute puissance est illustré à la figure 15. Une diode laser seeder est utilisée et plusieurs étages d’amplification sont nécessaires pour atteindre un niveau de puissance élevé. Notez qu’un sélecteur de mode (mode stripper) est souvent nécessaire pour supprimer la puissance restante de la pompe après la fibre active. Un ou plusieurs filtres ASE sont également souvent nécessaires pour éliminer les émissions spontanées amplifiées et conserver un bon rapport signal sur bruit.

Fiber laser high power
Figure 17: Architecture d'un laser à fibre typique / laser à fibre continu haute puissance (un seul étage d'amplification est illustré ici, alors que de nombreux étages sont souvent utilisés)

Lasers à fibres pulsés (gamme millisecondes / microsecondes)

L’échelle de temps de l’inversion de la population des ions Yb3 + lors de l’application d’une puissance de pompe élevée se situe généralement dans la plage de 20 à 200 µsec (typiquement ~ 10% de la durée de vie de Yb3+). Cela signifie que lorsque l’on veut obtenir des impulsions plus longues que cette plage, la puissance de la pompe peut être pulsée électroniquement et le même comportement que pour un laser continu sera obtenu pendant ces impulsions. Les architectures typiques utilisées pour les lasers à fibre milliseconde ou microseconde sont les mêmes que pour les lasers à fibre CW. Seules les propriétés thermiques globales sont différentes, ce qui peut nécessiter le choix de composants différents lors de la conception de lasers à fibre à faible rapport cyclique.

Laser à fibre pulsé (régime nanoseconde)

Quand on veut générer des impulsions courtes dans la gamme 1 ns-10 µs, on entre dans le monde des lasers à fibres pulsés nanosecondes.

Comme décrit ci-dessus, les propriétés des ions Yb3+ ne sont pas suffisantes pour générer de telles impulsions en ajustant la puissance de la pompe. Par conséquent, il est nécessaire de maintenir une puissance de pompe continue et de trouver un moyen de générer les impulsions différemment.

La comparaison avec la « chasse d’eau des toilettes » est ici pertinente. Le pompage optique est l’eau entrant dans le réservoir de la chasse d’eau et une technique est utilisée pour tirer la chasse d’eau (dans cette comparaison, la chasse d’eau est l’impulsion optique) à une fréquence souhaitée. La comparaison nous permet de comprendre quelques éléments importants :

  • Lorsque l’on considère un pompage continu (débit d’eau continu), on peut imaginer qu’une fréquence pour tirer la chasse d’eau minimale est requise, sinon l’eau entrant en continu débordera. Cette fréquence minimale pour un laser à fibre est généralement de 5 kHz. En dessous de cette fréquence, une certaine puissance ASE commence à sortir de la fibre entre les impulsions.
  • On peut également noter qu’un paramètre important est le nombre d’ions dans la fibre active. Ce nombre est directement corrélé avec l’énergie maximale absolue qui peut être obtenue à chaque impulsion (la taille du réservoir de toilette détermine la quantité d’eau maximale qui peut être obtenue, alors qu’elle est souvent moins importante car un mécanisme séparé empêche l’eau de remplir la cuvette des toilettes).
  • Des circuits électroniques de dernière génération sont utilisés pour appliquer l’impulsion de pompage dans les architectures de laser à fibre nanoseconde MOPA (amplifiées) (voir la description d’une telle électronique au §IV). Encore une fois, la comparaison avec une chasse d’eau des toilettes est pertinente lorsque l’on considère les deux effets de remplissage du réservoir qui démarrent et s’arrêtent séparés de l’action de la chasse d’eau pour remplir la cuvette des toilettes.

Il existe deux types d’architectures très différents, comme cela a déjà été décrit au début de ce document (Figure 1 et Figure 2): cavité laser à fibre unique et MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). La plupart des architectures laser à fibre nanoseconde sont basées sur des architectures MOPA, à l’exception de l’architecture Q-switch à cavité unique.

  • Lasers à fibre nanoseconde Q-switch

Les lasers à fibre Q-switch sont obtenus lorsqu’un composant de commutation / modulation rapide spécialisé est intégré dans la cavité laser à fibre. Ce composant peut être soit un AOM (Acousto-Optic Modulator), un EOM (Electro-Optic Modulator) ou un SOA piloté en régime impulsionnel. Voir notre didacticiel intitulé «Bases des modulateurs fibrés à haute vitesse» pour une description détaillée de ces composants. La commutation du composant à un niveau de perte faible libère une impulsion à haute énergie de généralement quelques nanosecondes.

Un exemple d’architecture Q-switch est illustré à la figure 18. Un AOM rapide est utilisé pour appliquer la perte.

Fiber laser nanosecond Q-switch
Figure 18: Exemple d'une architecture laser à fibre nanoseconde Q-switch

Le côté positif d’une telle architecture est qu’elle est assez simple car elle nécessite peu de composants. Cependant, la modularité et la capacité de contrôler les paramètres optiques sont plutôt faibles.

  • Lasers à fibre nanoseconde MOPA

La plupart des lasers de gravure vendus aujourd’hui sont basés sur cette architecture. Une diode laser de seed à, par exemple, 1064 nm est pulsée par un circuit électronique spécialisé qui va pulser rapidement le courant rapide avant d’être amplifiée avec plusieurs étages de fibres actives. Un étage d’amplification typique génère entre 10 et 20 dB de gain. Au-dessus de ce niveau de gain, certains effets indésirables ASE (Amplified Spontaneous Emission) amplifient les longueurs d’onde indésirables. Il est donc souhaitable d’avoir un amplificateur à plusieurs étages avec des filtres ASE entre chaque étage au lieu de maximiser le gain d’amplification d’un étage donné.

Fiber laser multistage nanosecond MOPA
Figure 19: Architecture laser à fibre MOPA à plusieurs (3) étages pour amplifier une impulsion nanoseconde générée par un pilote de diode laser pulsé.
  • Effets importants pour les lasers à fibre nanoseconde

Quatre effets importants doivent être pris en compte lors de l’étude de l’amplification laser à fibre des diodes laser pulsées :

Effet de commutation du gain des diodes laser (gain switching effect) : lors de l’application de courant à une diode laser, sur la partie initiale de l’impulsion (plage picoseconde), une certaine quantité d’énergie est stockée dans le milieu de gain. Cette énergie est ensuite restituée sous forme d’une impulsion courte. Cette impulsion est généralement de l’ordre d’une durée de 100ps. Cette impulsion courte peut être considérée soit comme une opportunité, par exemple lorsque vous essayez de produire une impulsion très courte, soit comme un problème lorsque vous envisagez d’amplifier des impulsions nanosecondes jusqu’à des niveaux d’énergie élevés.

Fiber laser 3 ns pulse
Figure 20: Exemple d'une impulsion courte de 3 nanosecondes. L'impulsion de commutation de gain de ~ 100 ps est observée au début de l'impulsion
155
Cette impulsion est obtenue avec le pilote de diode laser impulsionnel AeroDIODE, le CCS

Evolution du spectre d’émission des diodes laser pulsées : Lors de la pulsation directe d’une diode laser, l’utilisateur doit considérer deux effets spectraux indésirables:

    • Le premier est corrélé au temps nécessaire à la diode laser pour se « verrouiller » sur son élément de verrouillage Bragg. Ce verrouillage est immédiat pour un DFB mais nécessite souvent plus de 100 nsec pour une diode laser à réseau de Bragg. En d’autres termes, lors de la pulsation des diodes laser stabilisées par réseau, les premières nanosecondes produisent un large spectre d’émission comme s’il n’y avait pas de réseau de Bragg. Certains fournisseurs comme Lumics proposent une solution intermédiaire appelée «Bragg près de la puce» qui ne prend que quelques nanosecondes pour se verrouiller.
    • Un autre effet inévitable vient du couplage de la fréquence / phase du spectre et du profil d’intensité. Plus précisément, le spectre d’émission peut changer sur la longueur de l’impulsion et cela peut parfois être un problème. La modulation externe avec, par exemple, un SOA offre une solution intelligente pour éviter cet effet. Voir notre didacticiel intitulé «Bases des modulateurs fibrés à haute vitesse» pour une comparaison détaillée des quatres technologies communces de modulation externe des diodes laser.

Déformation de la forme d’impulsion : Lorsque l’on considère les architectures laser à fibre MOPA avec des configurations à étages multiples à gain élevé (comme sur la figure 17), le gain de fibre actif dépend des niveaux d’inversion de la population de dopants. Ces niveaux diminuent la durée de l’impulsion.

Par conséquent, il se produit une déformation de l’impulsion qui empêche une belle forme d’impulsion carrée à la sortie. Certains pilotes de diodes laser pulsées sont capables d’ajuster la forme d’une impulsion afin de pré-compenser cet effet et d’atteindre la forme d’impulsion souhaitée à la sortie du dernier étage d’amplification.

Effets non linéaires de la fibre: les amplificateurs à fibre concentrent la lumière dans un coeur de petit diamètre ce qui augmente la densité de puissance jusqu’à des niveaux très élevés. Cela peut devenir un problème majeur lorsque l’on considère des puissances crête de l’impulsion élevées car de nombreux effets optiques non linéaires apparaissent au-dessus d’un certain niveau de densité de puissance de crête. Ces effets, comme le SBS (Stimulated Brillouin Scattering) ou le SRS (Stimulated Raman Scattering), ont tendance à élargir à la fois le spectre d’émission et la durée des impulsions. Le SBS, en particulier, est un effet qui dépend non linéairement de la densité spectrale. Choisir un seeder d’émission plus large et éviter les DFB à largeur spectrale étroite peut être un bon choix pour atteindre des puissances de crête plus élevées lors de l’utilisation d’impulsions nanosecondes. Une autre solution consiste à utiliser un modulateur de phase EOM. Cela élargit le spectre d’émission tout en conservant la belle stabilité spectrale d’un DFB.

Lorsque que l’on traite des pilotes de diode laser, il peut être utile au lecteur de connaître les trois produits présentés ci-dessous :

La carte centrale d’Aerodiode possède un emplacement pour diode laser optimisée pour la commande continue à faible bruit et un emplacement optimisé pour le continu mais aussi les impulsions jusqu’à quelques nanosecondes. Il contient également de nombreuses fonctions pertinentes pour le laser à fibre, telles que plusieurs entrées de photodiode. La carte centrale sert de «centre de contrôle» pour un laser à fibre. La carte centrale permet également de gérer les fonctions de pompage impulsionnel qui sont très utiles lors de la conception de systèmes à faible taux de répétition et à haute énergie. Reportez-vous à cette page produit: pilote de diode laser à fibre.

Fiber laser diode driver
Figure 21: Ce pilote de diode laser à fibre sert de centre de contrôle pour les lasers à fibre. Il comprend un pilote d'impulsion continu monomode et un pilote de diode laser nanoseconde et continu.

La carte Shaper est un autre pilote proposé par AeroDIODE qui peut résoudre deux des quatres problèmes détaillés dans les sections ci-dessus : elle peut pré-compenser la forme de l’impulsion et possède une fonction spéciale de suppression du pic de commutation de gain (pic de gain-switch). La forme peut être ajustée à des largeurs d’impulsion très courtes car son AWG (générateur de signaux arbitraires) interne génère un point toutes les 500ps avec une plage dynamique de 48 dB. Elle contient également 3 sorties de générateur de retard d’impulsion. Voir cette page produit: pilote de diode laser haute vitesse.

Fiber laser pulse shaping
Figure 22: Le module Shaper d'AeroDIODE configuré en configuration de pilote direct est un pilote de diode laser à haute vitesse qui génère des formes d'impulsions optiques spécialisées
fiber laser shaped pulse
Par exemple, une impulsion obtenue à partir d'une diode laser DFB après avoir été programmée dans le module

Le module CCM est le troisième pilote de diode laser proposé par AeroDIODE. Ce pilote haute puissance est conçu pour contrôler les diodes laser multimode mono et multi-émetteurs qui sont référencées dans toutes les architectures laser à fibre décrites ci-dessus. Il est entièrement dédié à la commande d’une ou plusieurs diodes laser à pompe multimode (éléments simples ou éléments multiples), y compris le contrôleur TEC haute puissance avec une configuration de refroidissement par air. Il contient de nombreuses fonctions pour piloter n’importe laquelle de ces classes de laser dans une configuration de refroidissement par air optimisée et compacte. Voir la page produit: pilote de diode laser haute puissance.

Fiber laser high power driver
Figure 23: Pilote de diode laser haute puissance AeroDIODE. Idéal pour les diodes laser multi-éléments comme II-VI, Lumentum, IPG etc.

Lasers à fibres pulsées (gamme picoseconde)

Les lasers à fibre picoseconde fonctionnent dans la plage de largeur d’impulsion de 10 picosecondes à 1 nanoseconde. Ceux-ci ne sont pas classés comme «ultra-rapides». L’ultra-rapide est généralement associé à des architectures spéciales qui génèrent des largeurs d’impulsion inférieures à 10 picosecondes, et le plus souvent dans la plage femtoseconde.

Ces lasers picosecondes sont généralement très similaires aux architectures laser à fibre nanoseconde MOPA décrites à la figure 17. La seule différence majeure vient du seeder, car il devient très difficile d’obtenir une impulsion très courte en pulsant directement la diode laser. Par conséquent, nous pouvons séparer les architectures laser à fibre picoseconde en 3 catégories :

  • Seeder à diode directe à commutation de gain (gain-switch) :

La configuration la plus simple pour obtenir un laser à fibre picoseconde est d’utiliser l’effet de changement de gain d’une diode laser (voir page 12). Cet effet se produit pendant les 100 premières picosecondes de l’impulsion optique lorsqu’une courte impulsion électronique est appliquée à la diode laser (voir figure 18). Des sociétés comme Picoquant ou NKT(ex Onefive)sont bien connues pour utiliser cet effet avant l’amplification.

Il est difficile d’obtenir une impulsion stable en utilisant l’approche de comutation de gain. Cela génère de nombreuses contraintes sur le choix de la diode laser, l’intégration de la diode laser (couplage fibre) et les performances électroniques du pilote. L’énergie atteinte par ces diodes laser est typiquement de l’ordre de 10 picojoules, donc atteindre 1 mJ nécessite un gain de 80 dB. Sachant que le gain d’un étage d’amplification typique est d’environ 15 dB, cela peut nécessiter environ 5 étages d’amplification (avec isolateurs, filtres ASE et diodes laser de pompe) afin d’utiliser cette approche pour créer un laser à fibre picoseconde.

  • Seeder avec modulation externe :

Une autre façon d’obtenir des impulsions courtes est d’utiliser des modulateurs à fibres externes très rapides comme les EOM (Modulateurs Electro-Optiques) comme décrit dans notre tutoriel « Bases des Modulateurs à Fibre ». Il est possible d’augmenter la limitation en puissance de crête de ces composants en pulsant la diode laser source. Dans tous les cas, les pertes associées à cette approche rendent l’énergie de chaque impulsion du seeder très faible, ce qui rend la partie amplificatrice très coûteuse.

  • Seeder à microchip :

Une troisième façon de fabriquer des seeders à impulsions courtes pour les lasers à fibre, utilise l’effet Q-switch dans une cavité cristalline. Ces éléments utilisent un milieu à gain cristallin (tel que Nd: YAG ou Nd: YVO4) avec un absorbant saturable.

Ces composants, appelés «Microchip seeders», ont toujours été utilisés pour la génération d’impulsions nanosecondes (avec Cr4 +: YAG comme absorbant saturable), générant généralement des impulsions de 3 à 10 ns à un taux de répétition donné.

Plus récemment, des absorbants saturables très rapides ont été développés en utilisant la technologie des semi-conducteurs. Ceux-ci sont généralement appelés SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Media). Des composants comme ceux fournis par Batopsont désormais largement utilisés et produisent des impulsions de moins de 30 picosecondes. Le pompage à 808 nm est généralement utilisé pour le pompage Nd3+. Pulser la pompe dans la gamme de la centaine de nanosecondes est un bon moyen de contrôler le taux de répétition.

Fiber laser microchip seeder
Figure 24: Seeder à microchip typique utilisé pour la génération d'impulsions picosecondes. La pompe monomode pulsée de 808 nm nanoseconde peut être utilisée ici pour pouvoir contrôler le taux de répétition du microchip.

Lasers à fibres pulsés (plage femtoseconde: «Ultrafast»)

La dernière catégorie de lasers à fibre abordée dans ce didacticiel nous emmène dans le monde très compliqué des lasers ultra-rapides. Les lasers ultra-rapides ont généralement des durées d’impulsion de 10 femtosecondes à 10 picosecondes.

Ces sources présentent désormais un intérêt majeur pour de nombreuses applications d’interaction laser-matière car l’effet laser-matière est «athermique». La matière est directement transformée de l’état solide à l’état plasma sans passer par l’état liquide. Cela permet un usinage à très haute résolution et est maintenant largement utilisé dans les industries des semi-conducteurs, de la chirurgie oculaire et des smartphones.

Des architectures MOPA amplifiées typiques sont également utilisées ici. Cependant, il y a deux principes importants à considérer :

Le principe du verrouillage de mode est à la base de l’oscillateur du seeder :

Le principe de Heisenberg stipule que le produit de la largeur de bande spectrale d’amplification et de la durée d’impulsion ne peut pas descendre en dessous d’une valeur donnée. En d’autres termes, des impulsions ultra-courtes signifient une large bande passante d’émission spectrale. La centaine de femtosecondes signifie la dizaine de nm de largeur de bande spectrale. Les lasers ultra-courts ont toujours une large bande passante d’émission avec de nombreux modes de cavité.

La transformée de Fourier d’un peigne de modes d’émission donné ne donne une impulsion ultra-courte que lorsque les différents modes sont tous en phase. Par conséquent, la fabrication d’un laser à impulsions ultracourtes consiste à construire une large cavité d’amplification et à ajouter certains éléments pour que les modes de la cavité soient en phase en modulant les pertes à l’intérieur de la cavité. Des modulateurs actifs tels qu’un AOM (Acousto-Optic Modulator) ou un EOM (Electro-Optic Modulator) peuvent être utilisés. Les versions passives comme le SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Media) sont généralement la meilleure solution pour construire un oscillateur ultra-rapide basé sur un laser à fibre industrielle.

Les cavités verrouillées en mode ont une relation directe entre la longueur de la cavité et le taux de répétition des impulsions ultra-courtes. Les oscillateurs à verrouillage de mode typiques ont un taux de répétition d’impulsions dans la plage de 50 MHz.

Amplification paramétrique à impulsions pulsées (OPCPA : Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification):

L’amplification d’un signal d’oscillateur verrouillé en mode nécessite l’amplification d’un signal à haute fréquence et avec des impulsions très courtes. Cela génère trois difficultés majeures :

1. Premièrement, si l’on veut obtenir suffisamment d’énergie pour avoir un effet sur la matière (c’est-à-dire plus de 1 micro-joule), le maintien d’un taux de répétition de 50 MHz nécessiterait 50 W, ce qui nécessitera probablement plusieurs centaines de watts de puissance de pompage pour un très petit effet sur la matière. Il est donc préférable de réduire le taux de répétition des impulsions de l’oscillateur en sélectionnant quelques impulsions et en réduisant le taux de répétition à la plage kHz.

Une chose à retenir est que les oscillateurs ultra-rapides sont généralement dans la gamme de MHz / nJ, tandis que les lasers amplifiés qui sont utiles pour le micro-usinage laser sont généralement dans la gamme kHz / µJ.

Le prélèvement d’impulsions est généralement opéré par un AOM (Acousto Optic Modulator) fibré ou non fibré.

AeroDIODE a développé un outil universel pour la synchronisation du prélèvement d’impulsions. Il permet de générer une porte de déclenchement à une basse fréquence synchronisée avec un signal d’horloge d’entrée provenant d’une photodiode

Fiber laser pulse picker synchronization tool
Figure 25: Electronique de synchronisation Pulse-Picker offerte par AeroDIODE.

2. Deuxièmement, amplifier des impulsions très courtes peut avoir deux conséquences. Lorsque l’on considère un amplificateur à cristaux, la puissance crête atteint rapidement le seuil de dommage. Lorsque l’on considère un média amplificateur à fibre, certains effets non linéaires peuvent rapidement détruire les propriétés de l’impulsion. Il est donc nécessaire d’étirer la largeur d’impulsion de telle manière qu’il soit possible de revenir à une impulsion courte après le processus d’amplification. L’effet utilisé dans ce cas est appelé «dispersion». Il étire l’impulsion en couplant ses propriétés spectrales et temporelles (une «couleur» au début de l’impulsion et l’autre «couleur» à la fin de l’impulsion). Une fibre spéciale à «coeur creux» peut être utilisée pour étirer l’impulsion avant l’amplification, tandis que les réseaux spatiaux sont généralement utilisés pour comprimer l’impulsion amplifiée et atteindre les propriétés d’impulsion amplifiée ultrarapide.

Fiber laser OPCPA
Figure 26 : Principe OPCPA (S.Witte et al.)

3. Troisièmement, les largeurs d’impulsion ultracourtes dans une fibre génèrent très rapidement des effets non linéaires et tous les lasers à fibre amplifiée ultrarapides combinent certaines parties fibrées et d’autres non fibrées. Un bon logiciel de simulation d’effets non linéaires tel que Fiberdeskest clairement obligatoire ici.

Une électronique laser à fibre modulaire pour réaliser presque toutes les architectures de lasers à fibre :

Aerodiode a développé une gamme complète de pilotes électroniques capables de construire presque toutes les architectures laser à fibre décrites ci-dessus. Ces pilotes peuvent communiquer ensemble et peuvent contrôler tous types de diodes laser et de nombreuses photodiodes en régime impulsionnel ou continu. Ils sont conçus pour simplifier leur intégration dans un prototype compact. Cela permet au concepteur de disposer d’un produit laser à fibre et d’un délai de développement beaucoup plus rapide.

Aerodiode multiboard control center
Figure 27: Le système multi-cartes Aerodiode permet aux équipes de R&D et de développement de gagner beaucoup de temps