Academic literature on the topic 'Laser fibré de haute puissance'

Lorsqu’un fort flux laser traverse ou est réfléchi sur un composant optique, le couplage du rayonnement laser dans la matière (par absorption intrinsèque, par absorption sur des défauts locaux, ou par absorption non-linéaire) peut conduire à des effets irréversibles altérant la fonction optique du composant et pouvant même le rendre inutilisable. Ces modifications permanentes du matériau sont définies comme des « endommagements laser ». C’est un verrou technologique majeur à l’essor des sources lasers à haute puissance ou haute énergie, puisque qu’il limite la densité de puissance ou d’énergie accessible, affecte la durée de vie des composants optiques, ainsi que le coût de maintenance des chaînes laser.

Dans un contexte économique florissant, le développement des lasers à fibre de haute puissance permet de rendre cette technologie accessible et utile dans plusieurs domaines. Les manufacturiers de lasers doivent sans cesse trouver des méthodes pour améliorer les performances, la fiabilité et la productivité de leurs systèmes afin d’occuper une part importante du marché. L’inscription de réseaux de Bragg fibrés (FBG) dans un segment ininterrompu de fibre de gain permet de faire une cavité laser sans épissure, rendant une telle cavité plus robuste, plus rapide à réaliser et lui conférant une efficacité laser supérieure. Les expériences effectuées ont permis de démontrer qu’il est possible d’inscrire des FBG dans une fibre dopée à l’ytterbium d’une réflectivité assez grande et de pertes par échauffement suffisamment faibles pour assembler une cavité laser émettant une puissance de 538 W avec une efficacité de 77%, la puissance maximale étant limitée par la puissance de pompe disponible. Malgré tout, on trouve par extrapolation que les FBG peuvent avoir un échauffement assez faible pour supporter une émission laser de 1030 W. Par ailleurs, les différentes cavités lasers réalisées ont montré qu’il est difficile de faire une cavité sans épissure en fibre de haute luminosité puisque le filtrage modal par injection ne peut être utilisé. Toutefois, il est possible de faire une cavité laser monomode avec une fibre à large aire modale et le pompage en contra-propagation permet d’atteindre une efficacité laser très élevée de 77% (78% à basse puissance). Les simulations numériques ont permis de comprendre que la distribution de puissance dans la cavité laser génère un échauffement inégal des FBG, rendant nécessaire de prendre des considérations supplémentaires pour éviter le décalage spectral entre les FBG. Néanmoins, le projet a su montrer qu’il est envisageable de commercialiser un laser sans épissure émettant 1 kW dans un avenir rapproché et que la technologie en place permettrait une telle réalisation.
In a rapidly growing market, high power fiber laser development is key in making this technology available to a large number of industries. Laser manufacturers must constantly develop new methods to upgrade lasers performances and reliability if they want to keep a significant market share. Fiber Bragg gratings (FBG) inscription in a continuous doped fiber segment allows the possibility for a splice less laser cavity, such a laser cavity being more reliable, fasterto build and granting higher laser efficiencies.The experiments demonstrated the feasibility of FBG inscription in an ytterbium doped fiber with a sufficient reflectivity and low enough heating losses to withstand an emission power of 538 W with 77% laser efficiency, the maximum power being currently limited by the available pump power. By extrapolating the data, it is found that the gratings have a low enough heating slope to support a laser emission of 1030 W. The different laser cavities assembled showed that it is very difficult to make a splice less single mode laser cavity in a high brightness fiber, because the injection mode filtering technique cannot be used. However, it has been shown that by using a large mode area fiber (LMA), a splice less single mode laser cavity can be made and that counter-pumping yields the best efficiency. Numerical simulations allowed us to understand that the power distribution inside of the laser creates an uneven heating between the FBG, making extra considerations mandatory to avoid spectral shift between the gratings. The project has shown that it is conceivable to commercialise a splice less laser emitting 1 kW in a near future and that the current available technology would allow such a realisation.

Dans le cadre d'un contrat CIFRE entre la société Thales L.A.S. France et le laboratoire XLIM (UMR 7252 du CNRS et de l'Université de Limoges), mon projet de thèse consiste à développer des architectures de fibres optiques dopées aux ions d'ytterbium pour l'amplification d'impulsions avec une haute puissance crête à 1 µm dans l'optique de réaliser une combinaison cohérente de faisceau afin d'obtenir une source laser avec une très haute puissance crête et une haute cadence de répétition. Basé sur un design de fibres à large cœur appelées FA-LPF, deux axes de développement sont abordés. Le premier concerne l'amélioration des tolérances à une courbure externe appliquée sur les FA-LPFs. A l'aide d'une étude numérique, une stratégie novatrice est mise en place pour mitigé les effets d'une courbure. L'architecture est alors dénommée FA-LPF assistée par saut d'indice. Une émission laser monomode en régime continu d'une puissance optique de 65 W est démontrée avec un rayon de courbure de 60 cm pour un diamètre de mode de 47 µm. Le second axe est l'implémentation du contrôle de la polarisation dans les FA-LPFs. L'objectif est d'obtenir un signal linéairement polarisé. Plusieurs architectures testées numériquement permettent une propagation à polarisation linéaire unique dans des structures passives sur un large spectre optique, avec notamment une propagation monomode à polarisation unique à 1400 nm pour un diamètre de cœur de 140 µm. La meilleure des quatre, appelée FA-LPF 4+2 SAP, est fabriquée avec des dopants actifs d'ytterbium. En raison de défauts de fabrication, les fibres obtenues sont à maintien de polarisation. Un ratio de polarisation de 17 dB est obtenu en configuration amplification en régime continu avec un gain de 24 dB (une puissance émise de 50 W)
As part of a CIFRE contract between Thales L.A.S. France and the XLIM laboratory (UMR 7252 of the CNRS and the University of Limoges), my thesis project consists in the development of ytterbium-doped optical fiber architectures for pulses amplification with high peak power at a wavelength of 1 µm in order to achieve a coherent beam combination to obtain a laser source with both a very high peak power and a high repetition rate. Based on a large-core fibre design called FA-LPF, two development axes are addressed. The first one concerns the tolerances improvement to an external bending applied on the FA-LPF. With the help of a numerical study, an innovative strategy is implemented to mitigate the effects of bending. The architecture is then called step-index assisted FA-LPF. A single a singlemode laser emission in continuous regime with an optical power of 65 W is demonstrated with a 60 cm bending radius for a 47 µm mode field diameter. The second axis is the implementation of the polarisation control in FA-LPFs. The goal is to obtain a linearly polarised signal. Several numerically tested architectures allow single linear polarisation propagation in passive structures over a broadband optical spectrum, including a singlemode single-polarisation propagation at 1400nm for a core diameter of 140 µm. The best architecture, called FA-LPF 4+2 SAP, is fabricated with active ytterbium dopants. Due to manufacturing defects, the obtained fibres act as polarisation maintaining fibres. A polarisation extinction ratio of 17 dB is obtained in an amplification configuration in continuous regime with 24 dB of gain (an emitted power of 50 W)

Dans le cadre d'un contrat CIFRE entre la société Thales L.A.S. France et le laboratoire XLIM (UMR 7252 du CNRS et de l'Université de Limoges), mon projet de thèse consiste à développer des architectures de fibres optiques dopées aux ions d'ytterbium pour l'amplification d'impulsions avec une haute puissance crête à 1 µm dans l'optique de réaliser une combinaison cohérente de faisceau afin d'obtenir une source laser avec une très haute puissance crête et une haute cadence de répétition. Basé sur un design de fibres à large cœur appelées FA-LPF, deux axes de développement sont abordés. Le premier concerne l'amélioration des tolérances à une courbure externe appliquée sur les FA-LPFs. A l'aide d'une étude numérique, une stratégie novatrice est mise en place pour mitigé les effets d'une courbure. L'architecture est alors dénommée FA-LPF assistée par saut d'indice. Une émission laser monomode en régime continu d'une puissance optique de 65 W est démontrée avec un rayon de courbure de 60 cm pour un diamètre de mode de 47 µm. Le second axe est l'implémentation du contrôle de la polarisation dans les FA-LPFs. L'objectif est d'obtenir un signal linéairement polarisé. Plusieurs architectures testées numériquement permettent une propagation à polarisation linéaire unique dans des structures passives sur un large spectre optique, avec notamment une propagation monomode à polarisation unique à 1400 nm pour un diamètre de cœur de 140 µm. La meilleure des quatre, appelée FA-LPF 4+2 SAP, est fabriquée avec des dopants actifs d'ytterbium. En raison de défauts de fabrication, les fibres obtenues sont à maintien de polarisation. Un ratio de polarisation de 17 dB est obtenu en configuration amplification en régime continu avec un gain de 24 dB (une puissance émise de 50 W)
As part of a CIFRE contract between Thales L.A.S. France and the XLIM laboratory (UMR 7252 of the CNRS and the University of Limoges), my thesis project consists in the development of ytterbium-doped optical fiber architectures for pulses amplification with high peak power at a wavelength of 1 µm in order to achieve a coherent beam combination to obtain a laser source with both a very high peak power and a high repetition rate. Based on a large-core fibre design called FA-LPF, two development axes are addressed. The first one concerns the tolerances improvement to an external bending applied on the FA-LPF. With the help of a numerical study, an innovative strategy is implemented to mitigate the effects of bending. The architecture is then called step-index assisted FA-LPF. A single a singlemode laser emission in continuous regime with an optical power of 65 W is demonstrated with a 60 cm bending radius for a 47 µm mode field diameter. The second axis is the implementation of the polarisation control in FA-LPFs. The goal is to obtain a linearly polarised signal. Several numerically tested architectures allow single linear polarisation propagation in passive structures over a broadband optical spectrum, including a singlemode single-polarisation propagation at 1400nm for a core diameter of 140 µm. The best architecture, called FA-LPF 4+2 SAP, is fabricated with active ytterbium dopants. Due to manufacturing defects, the obtained fibres act as polarisation maintaining fibres. A polarisation extinction ratio of 17 dB is obtained in an amplification configuration in continuous regime with 24 dB of gain (an emitted power of 50 W)

La technique d’amplification à dérive de fréquence "chirped pulse amplification" (CPA)a été développée pour augmenter la puissance des impulsions issues d’oscillateurs à verrouillage de mode, car l’énergie des impulsions n’étaient pas suffisantes pour des applications telles que la physique des champs forts et l’accélération de particules. Depuis son développement en 1985, elle a été utilisée dans une grande variété de systèmes laser industriels et dans des installations laser à ultra-haute puissance. Cette technique permet d’une part de s’affranchir de l’accumulation de phase non linéaire qui entrave la compression d’impulsions et d’autre part de maintenir la fluence des impulsions en dessous des seuils de dommages induits par laser aux composants. Dans cette thèse, nous développons des systèmes laser CPA à la longueurs d’onde de 2.05μm avec une puissance moyenne élevée et une énergie élevée, en commençant par le développement du laser à 2050nm jusqu’à la conception et la mise en oeuvre de l’étireur, des amplificateurs et du compresseur d’impulsions.Dans la première section de la thèse, nous introduisons les principaux concepts de physique et les phénomènes nécessaires à la compréhension de la technique d’amplification par dérive de fréquence et au développement du laser à fibre à 2050nm. Cela inclut la dispersion, l'automodulation de phase et la diffusion Raman.Dans la deuxième section de la thèse, nous présentons le développement d’un laser entièrement fibré à maintien de polarisation et accordable sur plus de 170nm, de 1880nmà 2050nm, via le phénomene de décalage de fréquence solitonique (Raman soliton selffrequencyshift, SSFS). Notre systéme est basé exclusivement sur des fibres disponibles commercialement. Nous avons caractérisé le laser en termes de puissance, de spectre et de durée d’impulsion, et nous avons inclus une étape de post-compression qui repose sur des effets non linéaires pour atteindre une durée inférieure à 100 fs sur toute la plage d' accordabilité. Les simulations sur la post-compression de solitons montrent la polyvalence du laser, qui permet de personnaliser la durée de l’impulsion sur une plage spectrale donnée, ou alternativement à une longueur d’onde particulière.Dans la troisième section, nous avons testé le laser accordable dans une grande variété d’architectures d’étirement et de compression adaptées au CPA. Nous avons examiné les fibres et les réseaux de Bragg en volume étiré (CVBG) en tant que dispositifs d’étirement d’impulsions, ainsi que les paires de réseaux de diffraction et les CVBG en tant que compresseurs d’impulsions. Nous discutons la manière de dimensionner une paire d’étireur compresseuren tenant compte de la phase non linéaire et de l’effet de rétrécissement du gain qui se produit pendant l’amplification d’impulsions, ainsi que de l’évaluation des performances de l’étireur-compresseur. Deux systèmes laser d’amplification à dérive de fréquence ont été conçus et présentés, le premier visant des impulsions fs à large bande avec une puissance moyenne élevée, et le second système visant des impulsions ps à haute énergie. La technologie peu mature dans la région spectrale de 2μm et la faible disponibilité de dispositifs d’étirement adaptés entravent la compression d’impulsions à cette longueur d’onde.Dans la dernière section de la thèse, nous avons étudié les performances des fibres co-dopées Tm:Ho en configuration d’amplification. Nous discutons des principaux défis de ces fibres, notamment les effets de transfert d’énergie, la disponibilité des sources de pompage qui donnent lieu à deux schémas de pompage principaux : le pompage par diode et le pompage intra-bande, ainsi que les limitations en termes de taille de fibre. Nous avons testé les fibres dopées Tm:Ho, y compris les fibres à coeur large pour l’amplification d’impulsions à bande étroite et à large bande
The chirped pulse amplification (CPA) technique was developed to power scale the pulsesfrom mode-locked oscillators as the pulse energy was not sufficient to target applicationssuch as strong field physics and particle acceleration. Since its development in 1985 ithas been applied in a wide variety of commercially available laser systems and ultra-highpower laser facilities. The technique allows to circumvent the accumulation of non-linearphase which hampers pulse compression and allows to maintain the fluence of the pulsesbelow the laser induced damage thresholds (LIDT) of components. In this thesis wedevelop CPA laser systems operating at 2.05μm wavelengths with high average powerand high energy starting from the development of the seed laser up to the design andimplementation of the pulse stretcher, amplifiers and pulse compressor.In the first section of the thesis we introduce the physics background and phenomenarequired for understanding the chirped pulse amplification technique and the developmentof the seed laser. This includes dispersion, self-phase modulation and Raman scattering.In the second section of the thesis we present the development of an all-fiber polarizationmaintaining laser tunable over 170nm, from 1880nm up to 2050nm via Ramansoliton self-frequency shift (SSFS). The system is based on exclusively commercially availablestandard fibers. We have characterised the laser in terms of power, spectrum andpulse duration and we have included a post-compression stage that relies on non-lineareffects to reach the sub-100 fs duration across the whole tunability range. Simulations ofthe soliton post-compression shows the versatility of the laser which allows to customisethe pulse duration over a spectral range or for a particular wavelength. We believe thatthe laser is a versatile and robust alternative to Tm and Tm:Ho oscillators.In the third section we have tested the tunable laser in a wide variety of stretchingand compression architectures suitable for CPA. We have investigated fibers and chirpedvolume Bragg gratings (CVBG) as pulse stretching devices and grating pairs and CVBGsas pulse compressors. We discuss how to dimension a stretching-compressor pair takinginto account the non-linear phase and gain narrowing effect that takes place during pulseamplification and how to evaluate the stretching-compressor performance. Two differentchirped pulse amplification laser systems have been designed and presented, the first onetargets broadband fs pulses with high average power and the second system targets highenergetic ps pulses. The non-mature technology in the 2μm spectral region and the weakavailability of suitable stretching devices hinders pulse compression at this wavelength.In the last section of the thesis we investigated the performance of Tm:Ho co-dopedfibers in amplification configuration. We discuss the main challenges of these fibers includingthe cross-relaxation effects, the availability of pump sources which gives rise totwo main pumping schemes: diode pumping and in-band pumping and the limitations interms of fiber size. We tested Tm:Ho doped fibers, including LMA for narrowband andbroadband pulse amplification

Les lasers à fibre de haute puissance sont maintenant la solution privilégiée pour les applications de découpe industrielle. Le développement de lasers pour ces applications n’est pas simple en raison des contraintes qu’imposent les normes industrielles. La fabrication de lasers fibrés de plus en plus puissants est limitée par l’utilisation d’une fibre de gain avec une petite surface de mode propice aux effets non linéaires, d’où l’intérêt de développer de nouvelles techniques permettant l’atténuation de ceux-ci. Les expériences et simulations effectuées dans ce mémoire montrent que les modèles décrivant le lien entre la puissance laser et les effets non linéaires dans le cadre de l’analyse de fibres passives ne peuvent pas être utilisés pour l’analyse des effets non linéaires dans les lasers de haute puissance, des modèles plus généraux doivent donc développés. Il est montré que le choix de l’architecture laser influence les effets non linéaires. En utilisant l’équation de Schrödinger non linéaire généralisée, il a aussi été possible de montrer que pour une architecture en co-propagation, la diffusion Raman influence l’élargissement spectral. Finalement, les expériences et les simulations effectuées montrent qu’augmenter la réflectivité nominale et largeur de bande du réseau légèrement réfléchissant de la cavité permet d’atténuer la diffusion Raman, notamment en réduisant le gain Raman effectif.
High power fiber lasers are now the preferred solution when it comes to industrial cutting applications. Development and power scaling of industrial grade high power fiber lasers is however limited by industrial reliability specifications. Power scaling of fiber lasers is limited by non-linear effects, which arise from fiber designs with a small mode area therefore requiring the development of new methods to suppress non-linear effects. In this memoir, experiments and simulations show that the models used to describe nonlinear effects in the case of passive fibers are no longer valid in the case of high power fiber lasers. New metrics must thus be defined. We also show that the laser configuration influences the non-linear effects. Using the general non linear Schrödinger equation we also show that in the case of a high power end-pumped laser configuration, Raman scattering affects spectral broadening. Experimental and theoretical work also show that changing the grating mirror properties such as increasing the reflectivity or the bandwidth of the low reflectivity grating reduces Raman scattering.

Les sources laser à fibre, haute puissance et de faible largeur spectrale sont de plus en plus utiles pour des applications à la fois industrielle et scientifique. Cependant, le développement de ces sources est limité par les seuils d’apparition d’effets non-linéaires tels que la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) du fait d’un fort confinement de la lumière dans le coeur de la fibre. Un premier amplificateur en régime monofréquence de puissance moyenne égale à 50W a été développé à partir d’une diode laser signal de 50 mW. L’étude du bruit d’intensité sur cet amplificateur a montré que l’utilisation de fibres standards (diamètre de coeur < à 20μm) jusqu’à 50W est limitée par l’apparition du phénomène de DBS se traduisant par une dégradation du bruit d’intensité. Pour s’affranchir de ces effets non-linéaires, une solution réside sur l’utilisation de fibres à large aire modale (LMA) dont les diamètres des coeurs est égale à plusieurs dizaines de microns. Les fibres LMA présentent un recouvrement [coeur dopé / onde de pompe] optimisé conduisant à une réduction de la longueur du milieu à gain. Par cette stratégie de la diminution du confinement spatial du faisceau avec une diminution de la longueur d’interaction, le seuil d’apparition des effets non-linéaires est repoussé. Mais paradoxalement, cette stratégie va induire une nouvelle limitation non-linéaire, non plus en termes de puissance crête mais de puissance moyenne. En effet, les coeurs multimodaux des fibres LMA, couplés à une charge thermique par unité de longueur forte (pour une puissance de moyenne de sortie équivalente) vont induire l’apparition d’effets non-linéaires en puissance moyenne : les Instabilités Modales (IM) et la Dégradation Modale de la Fibre (DMF). Ce sont donc les stratégies usuelles utilisées pour repousser les effets non-linéaires qui ont conduit à l’avènement de ces nouveaux effets délétères. Un système d’asservissement du bruit d’intensité efficace (suppression > 30 dB) sur une bande passante d’1MHz permet de supprimer le bruit en excès des diodes de pompe
High power, narrow linewidth fiber lasers are useful for both industrial and scientific applications. Nevertheless, nonlinear effects like Stimulated Brillouin Scattering (SBS) are main limitations of these laser sources due to high power in fiber core. A first amplifier in single-frequency operation with 50W of output power from a laser diode seeder of 50 mW was developed. Study of intensity noise on this amplifier developed with standard fiber (core diameter less than 20 μm) showed that SBS leads to a degradation of noise properties of the laser. The use of large mode area (LMA) fibers is a solution for suppressing nonlinear effects with core diameters bigger than several tens of microns. LMA fibers show an overlap between doped core and pump wave optimized leading to a reduction of gain medium length. This strategy permits to increase nonlinear effect threshold. Second step of high power amplifiers with LMA fibers allows to obtain 100W in single-frequency regime without DBS. LMA fiber used have a core diameter equals to 40μm. Power scaling from 100W to 200W highlights a new limiting non-linear effect: Fiber Modal Degradation (FMD). Indeed, multimodal cores of these fibers, coupled to high thermal load lead to non-linear effects like Modal Instabilities (IM) and FMD. FMD effect, first described by Ward et al in 2016, is a thermo-optic effect characterized by a beam quality degradation with power transfer from fundamental mode to high order modes. Furthermore, a decrease of output power, synonym of guidance loss of fundamental mode in gain medium is observed. Unlike well-known effect IM, this phenomenon doesn’t act like a threshold phenomenon. In fact, transitory regime in association with FMD is longer than IM caused by photodarkening dynamic. In our study, beam quality at the output of the fiber was degraded after several tens of hours at 200W. For understanding this effect, a photodarkening effect study both in continuous wave (CW) and pulsed regime was carried out. This study shows that for the first time a photodarkening and photobleaching equilibrium on high power amplifiers in pulsed regime. These thermo-induced effects threshold depends on thermal load and are different for both regimes: 120W for CW and 150W for pulsed regime. Finally, a study and a reduction of intensity noise based from a servo-loop were carried out on 100W amplifier. A 1MHz bandwidth with a 30 dB decrease of noise were demonstrated. These results allow to develop high power and low intensity noise lasers at industrial level”

Les lasers à fibre de haute puissance constituent depuis une dizaine d’année un outil pertinent pour un nombre croissant d’applications. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société Eolite Systems et le laboratoire Xlim (UMR 7252 du CNRS et de l’Université de Limoges), mon projet de thèse a consisté à développer les briques technologiques de futures sources lasers
High-power fiber lasers adress an increasing number of applications since ten years. In the frame of a CIFRE contract between the company Eolite Systems and Xlim (joint laboratory between CNRS and the University of Limoges), the goal of this PhD project was to develop the technological blocs to achieve all-fibre high-power lasers emiting out of the conventional spectral band covered by existing lasers.Modal instabilities in large mode area (LMA) fibers are currently the main limitation of the fiber lasers power scaling. We have experimentally demonstrated the relevance of inner cladding aperiodic structures to efficiently delocalize higher order modes outside the gain region. A systematic study of passive fibers based on such structures has shown the single propagation of the fundamental mode over a wide wavelength range from 1 to 2 µm for dimension of core up to 85 µm. This effective mode delocalization even extends up to a core dimension of 140 µm at a 2 µm wavelength.The combination of high power picosecond fiber laser with an average power of 22.7 W and a hydrogen-filled inhibited coupling Kagome fiber allowed us to generate two Raman combs over five frequency octaves from 321 nm to 12.5 µm. These two combs are controlled by the laser pump polarization and generated an average power of 10.1 W displayed over 70 laser lines for circular pump polarization and 8.6 W over 30 lines for linear polarization. Some laser lines within these combs have been generated for the first time from high-power fiber source in the mid-infrared range. We have also demonstrated the generation of high-power line by optimizing the first vibrational Stokes at 1.8 µm with an average power of 9.3 W and a quantum efficiency of the frequency conversion stage close to 80%

Virgo est un interféromètre de Michelson dont les bras contiennent des cavités Fabry-Perot. Il a été construit pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Le projet Advanced Virgo est une amélioration majeure de Virgo pour atteindre une sensibilité encore plus élevée avec laquelle la détection des ondes gravitationnelles deviendra probable. On prévoit un système laser mono-fréquence de 175 Watts de puissance optique présentant des stabilités accrues pour le bruit relatif de puissance et pour le bruit de fréquence. Ce travail de thèse a pour objet la réalisation de ce système laser de haute-puissance et de haute-stabilité basée sur l'utilisation d'amplificateurs à fibre combinés de façon cohérente. Des amplificateurs à fibre disponibles dans le commerce sont caractérisés en termes de qualité de faisceau, de bruit de puissance, de bruit de fréquence, de stabilité de pointé du faisceau, et également en terme de stabilité à long terme sur quelques milliers d'heures. On implémente l'interférométrie de Mach-Zehnder pour la combinaison cohérente de faisceaux. Les techniques de caractérisation de faisceaux laser sont aussi développées en considérant leurs limites ultimes. Hormis un déficit de puissance optique, le système laser développé dans cette étude sur la base de la combinaison cohérente de Master Oscillator Fiber Power Amplifiers, remplit les conditions posées par Advanced Virgo
Virgo is a cavity-enhanced Michelson interferometer built for the direct detection of gravitational waves. The Advanced Virgo project consists of major upgrades to the Virgo gravitational wave detector for an order of magnitude improvement in differential strain sensitivity, one of which is the tenfold increase in injected laser power to 175 Watts. The use of fiber laser amplifiers and their coherent combination are foreseen to deliver the required high-power low-noise beam. In this thesis work, we review the laser requirements for gravitational wave detectors, introduce the design of the laser system for Advanced Virgo, and develop the means for laser characterization in accordance with the stringent noise specifications. We then present the results to date, notably the quasi-continuous long-term operation of two 40-Watt fiber laser amplifiers over thousands of hours and their coherent combination with Mach-Zehnder interferometry. Although the targeted power for Advanced Virgo is not yet attained, the developed system shows decent noise performance and is promising for further power-scaling efforts

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration entre le laboratoire XLIM et la compagnie industrielle des laser « CILAS ». L'objectif principal de cette thèse est l'étude et la conception de sources laser fibrées émettant en régime continu des faisceaux monomodes de puissance multi-kW. L'architecture « MOPA » (composée d’une oscillateur maître et d’un amplificateur de puissance), a été sélectionnée à l'aide de la bibliographie pour atteindre ces objectifs, puis a été réalisée à XLIM. En améliorant cette architecture, la source fibrée a délivré une puissance continue de 2 kW à la longueur d'onde de 1080 nm, un record atteint pour la première fois en France à notre connaissance. Grâce à ces résultats, un outil de simulation a été calibré puis a été utilisé afin d'identifier les limitations théoriques de cette architecture. Les modélisations ont ensuite permis de donner des propositions d’amélioration de cette architecture en fonction de la longueur d’onde de pompe, de la longueur d’onde du signal, de l’utilisation d’une autre fibre amplificatrice et de la répartition de la puissance de pompage dans les deux sens de propagation. Les résultats de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus à partir d’une source MOPA construite plus récemment à XLIM, ayant dépassé la puissance signal de 3 kW. Finalement, une dernière architecture plus simple, appelée MOPA "autosaturé", est simulée puis est réalisée au laboratoire. En exploitant une cavité instable temporellement et en associant, à la source, un étage de conversion de fréquence non-linéaire, la génération d’un supercontinuum d’une puissance de 40,7 W sur une largueur spectrale allant de 750 nm à 2200 nm à -30 dB a été démontrée. En perspective de ces travaux de thèse, une nouvelle étude numérique a indiqué qu’une telle source pourrait elle aussi atteindre jusqu’à 3 kW de puissance signal
This CIFRE thesis is a collaboration between the XLIM research laboratory and the industrial laser company "CILAS". The main objective of this work is to study and design high power fiber laser sources delivering a continuous wave single mode laser beam with an output power of several kW. To this end, the “MOPA” design (consisting a master oscillator stage and a power amplifier stage) was chosen from the literature and then has been built at XLIM. To the best of our knowledge, it is the first time in France that 2 kW of continuous wave output power has been achieved at the signal wavelength of 1080 nm. Thanks to the experimental results, a simulation tool was calibrated and used to carry out a theoretical study of the limits of this laser source. This tool has also been used to propose some improvements of this architecture by changing the pump wavelength, the signal wavelength, the doped fiber and the combination of the pump power between the two directions of propagation. The results of the simulations were compared with the experimental results obtained from a new source reaching more than 3 kW of continuous wave power. Finally, another less complex design, called OAIFL, was calibrated using the simulation and then built. A supercontinuum was generated by exploiting the temporally unstable laser cavity, delivering a power of 40.7 W over a spectrum going from 750 nm to 2200 nm at - 30 dB. As a perspective, the simulation showed that the OAIFL source could be further amplified to reach up to 3 kW. Therefore, this laser source could be further developed in the future

Les recherches industrielles ou académiques autour laser délivrant des impulsions ultracourtes reposent de plus en plus sur la technologie des lasers à fibre. Elles s’appuient sur les avantages intrinsèques des systèmes à fibre, tels que leur stabilité, compacité, l'excellente qualité modale du faisceau délivré, leur robustesse et leur facilité d'utilisation. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l’étude détaillée d’un laser à fibre délivrant des impulsions picosecondes fonctionnant dans un régime de dispersion normale (ANDi). Ce laser a par la suite été déployé pour étudier de la génération paramétrique dans une fibre à cristal photonique. Nous avons tout d’abord développé une source laser à fibre de haute puissance délivrant des impulsions picosecondes dont on peut accorder à la fois la longueur d'onde centrale et la largeur spectrale. La source développée autour d’une cavité en anneau comprend la combinaison d’une fibre d'ytterbium à grande surface modale du type « rod-type », une fente et un réseau de diffraction en transmission. À la longueur d'onde centrale de ∼ 1030 nm et à un taux de répétition de 78 MHz, ce laser délivre des impulsions picosecondes avec une puissance moyenne allant jusqu'à 25 W. La durée des impulsions peut être ajustée en continu entre ∼ 1,8 ps et ∼ 4,5 ps alors que l'énergie des impulsions varie entre ∼ 320 nJ et ∼ 225 nJ. Nous avons également démontré que la longueur d'onde centrale des impulsions laser peut-être finement réglée entre ∼ 1010 nm à ∼ 1060 nm tout en s’assurant que l'énergie de l'impulsion est supérieure ∼ 150 nJ. Nous avons également développé un modèle numérique pour rendre compte de l'ensemble de nos données expérimentales. Nos simulations sont en bon accord avec nos résultats expérimentaux. Les impulsions délivrées par cette source ont été utilisées pour étudier et réaliser un oscillateur paramétrique optique dans une fibre optique. Les ondes signal et idler générées résultent d’un mélange paramétrique à quatre-onde induit dans une fibre à cristal photonique. Cet OPO à fibre est simplement résonnant pour l’onde signal. L'efficacité de conversion pour l’onde signal est proche de 20 %. Le profil de dispersion spectrale de la fibre à cristal photonique et l’accordabilité spectrale de notre laser de pompe nous ont permis de générer des ondes du signal (resp. idler) comprises respectivement entre ∼ 770 nm et ∼ 1000 nm ( ∼ 1130 nm et ∼ 1590nm) lorsque la longueur d'onde des impulsions pompe est ajustée entre ∼ 1024 nm et ∼ 1059 nm
Ultrashort laser pulses in both industrial and research applications progressively rely on fiber laser technology, guided by its intrinsic benefits, for instance, stability, compact nature, excellent beam quality, robustness, and easy operation. In this work, a detailed study has been done to investigate picosecond fiber laser working in an all-normal-dispersion (ANDi) regime for the application of parametric generation in photonic crystal fiber. In summary, we have developed a high-power fiber laser source delivering picosecond pulses with tunability both in central wavelength and spectral width. It incorporates a combination of a large-mode-area rod-type ytterbium fiber, a slit, and a transmission grating inside the ring laser cavity configuration. At the central wavelength of ∼ 1030 nm and with a repetition of 78 MHz, this laser delivers picosecond pulses with an average power of up to 25 W. The pulse duration can be continuously adjusted from ∼ 1.8 ps to ∼ 4.5 ps and pulse energy from ∼ 320 nJ and ∼ 225 nJ, respectively. Additionally, we have also demonstrated that the central wavelength of the laser pulse can be finely tuned from ∼ 1010 nm to ∼ 1060 nm while keeping the pulse energy above ∼ 150 nJ. We have also proposed a numerical model to account for the ensemble of our experimental data and the simulations are in good agreement with the experimental data. The output of this fiber oscillator is propagated through the photonic crystal fiber for the parametric generation of the signal (higher frequencies than the pump) and idler (lower frequencies than the pump). The fiber OPO singly-resonant cavity was built in such a way that only signal wavelengths are allowed to propagate through it. The conversion efficiency for the signal was close to 20 % in the fiber OPO. Based on the dispersion profile of the photonic crystal fiber and our homebuilt tunable pump laser, the signal wavelength (resp. idler) was tuned from ∼ 770 nm to ∼ 1000 nm (∼ 1130 nm to ∼ 1590nm) for the corresponding pump wavelengths of ∼ 1024 nm to ∼ 1059 nm