L'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite de 7 kW a obtenu une amélioration significative des performances grâce au réglage précis de l'indice de réfraction de la fibre active à grande surface de mode

1. Introduction Les lasers à fibre haute puissance avec une qualité de faisceau presque limitée par diffraction (NDL) sont devenus un point central de la recherche dans la technologie laser en raison de leur coût relativement faible, de leur puissance de sortie élevée et de leur facilité d'entretien [voir Richardson, Nilsson et Clarkson1 ; Zuo et Lin4]. Les amplificateurs à fibre à largeur de ligne étroite basés sur l'amplificateur de puissance de l'oscillateur maître (MOPA) et le format tout-fibre sont les configurations les plus polyvalentes et les plus efficaces pour la mise à l'échelle de puissance des sources à fibre monolithiques dans des applications telles que la combinaison de faisceaux spectraux et la combinaison de faisceaux cohérents [voir Zheng, Yang, Wang, Hu, Liu, Zhao, Chen, Liu, Zhao, He et Zhou5 ; Liu, Ma, Su, Tao, Ma, Wang et Zhou6]. Des études antérieures ont indiqué que les limitations de puissance de sortie des amplificateurs à fibre NDL sont régies par la luminosité de la pompe, les effets non linéaires et les effets thermiques [voir Dawson, Messerly, Beach, Shverdin, Stappaerts, Sridharan, Pax, Heebner, Siders et Barty7 ; Wang11]. Parmi celles-ci, la diffusion Raman stimulée (SRS) et l'instabilité du mode transversal (TMI) ont été identifiées comme les principales contraintes des amplificateurs à fibre NDL de haute puissance. Pour les caractéristiques spectrales à largeur de ligne étroite, la diffusion Brillouin stimulée (SBS) nécessite également une attention particulière [voir Kobyakov, Sauer et Chowdhury12]. À ce jour, des niveaux de puissance dépassant 10 kW ont été atteints avec des configurations de pompe en tandem présentant une émission à large spectre [13, voir Shiner14]. En particulier, le pompage direct avec des diodes laser à semi-conducteurs (LD) a fourni jusqu'à 6 kW de puissance dans les émissions à largeur de ligne large et étroite en équilibrant de manière complète la SRS, la TMI et même la SBS [voir Yang, Wang, Zhang, Xi, Shi, Wang et Xu15 ; Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao et Zhou16].

2. Les seuils pour SBS et SRS sont intrinsèquement liés au gain net total des lasers Raman et Brillouin Stokes [voir Smith17 ; Liu, Ma, Lv, Xu, Zhou et Jiang19]. Dans les amplificateurs à fibre à largeur de ligne étroite pratiques, la suppression SBS se concentre généralement sur la construction de lasers d'amorçage pour élargir le spectre de gain SBS, où la modulation de phase des lasers à fréquence unique est l'approche dominante pour atténuer l'élargissement spectral tout en maintenant un seuil SRS plus élevé pendant l'amplification en cascade [voir Flores, Robin, Lanari et Dajani20 ; Liu, Song, Ma, Xiao et Zhou23]. Pour la suppression SRS, des stratégies telles qu'une grande zone de champ de mode effectif (EMFA) pour le mode fondamental (FM), un coefficient d'absorption de pompage élevé, une longueur de fibre active plus courte et un pompage vers l'arrière peuvent être utilisées [voir Dawson, Messerly, Beach, Shverdin, Stappaerts, Sridharan, Pax, Heebner, Siders et Barty7 ; Français Otto, Jauregui, Limpert et Tünnermann8 ; Wang11]. Le seuil TMI est déterminé par divers facteurs dans la conception du système, tels que la longueur d'onde du signal/pompe, le diamètre du cœur/gaine, l'ouverture numérique du cœur (NA) et la distribution de la puissance de pompage. L'impact de ces facteurs sur le seuil TMI a été largement étudié, et des techniques de manipulation des réseaux d'indice de réfraction induits thermiquement et de réduction des pertes en mode d'ordre supérieur (HOM) de la fibre ont été validées [voir Tao, Wang et Zhou24 ; Jauregui, Stihler et Limpert25]. Néanmoins, l'enroulement de la fibre active pour augmenter la perte relative des HOM est l'une des rares stratégies efficaces pour élever le seuil TMI au-dessus de 5 kW dans les systèmes à largeur de ligne étroite [voir Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao et Zhou16 ; Ma, Xiao, Liu, Zhang, Wang, Leng et Zhou26 ; Français Liao, Luo, Xiao, Shu, Cheng, Zhang, Xing, Li, Dai et Li29]. Il est à noter que l'efficacité de cette technique pour la suppression du TMI diminue avec l'augmentation du diamètre du cœur et de l'NA [voir Tao, Su, Ma, Wang et Zhou30]. Il est important de noter que le SRS et le TMI sont également interdépendants dans la conception d'amplificateurs à fibre haute puissance, avec des compromis de conception de système existant en termes de charge thermique, de longueur de fibre effective et de diamètre du cœur [voir Tao, Wang et Zhou24 ; Jauregui, Stihler et Limpert25 ; Hejaz, Shayganmanesh, Rezaei-Nasirabad, Roohforouz, Azizi, Abedinajafi et Vatani31 ; Distler, Möller, Strecker, Palma-Vega, Walbaum et Schreiber34]. De plus, le seuil TMI dans les amplificateurs à fibre à largeur de ligne étroite est inférieur à.

L'amplificateur principal est alimenté par 12 LD stables en longueur d'onde de 976 nm disposés dans une configuration de pompage bidirectionnelle, et ces LD sont couplés dans la fibre active dopée à l'ytterbium à grande surface de mode (LMA-YDF) via deux combinateurs de pompe de signal fibrés (6 + 1) × 1. Chaque LD peut fournir une puissance de pompage maximale de 0,87 kW. Les diamètres cœur/gaine des fibres de transmission sont de 20/250 et 20/400 μm, avec une ouverture numérique (NA) d'environ 0,063 pour le combinateur de pompe de signal direct, et de 25/400 et 25/250 μm pour les fibres de transmission avec une NA d'environ 0,065 pour la fibre inverse. Deux décapants de puissance de gaine (CPS) basés sur la technologie de gravure sont connectés en série pour éliminer les signaux de pompe et de gaine résiduels. Un support de bloc de quartz (QBH) est utilisé pour interfacer la sortie du laser à fibre avec l'espace libre. Dans l'expérience, la longueur totale des fibres de transmission après le YDF est d'environ 1,8 m.

Le YDF utilisé dans l'amplificateur principal est un LMA-YDF domestique de 14 m de long avec un diamètre cœur/gaine uniforme de 20/400 μm, fabriqué à l'aide d'un procédé amélioré de dépôt chimique en phase vapeur (MCVD). L'ouverture numérique du cœur et le coefficient d'absorption mesurés à 976 nm sont respectivement de 0,059 et 1,2 dB/m. Pour la conception de la structure de la plaque de flexion et de refroidissement YDF, une plaque de refroidissement à eau active à double piste symétrique est utilisée pour incorporer des pertes par flexion afin de supprimer l'instabilité du mode transversal (TMI). Le rayon intérieur est fixé à 40 mm, avec un espacement de 1 mm entre les deux cercles adjacents, comme illustré sur la figure 2. Le laser d'amorçage est injecté dans le cercle intérieur de l'amplificateur principal pour augmenter la perte relative des modes d'ordre supérieur dans la région du grand gradient thermique, obtenant ainsi une suppression de TMI [voir Tao, Su, Ma, Wang et Zhou30].

3. L'optimisation de divers paramètres de la fibre peut affecter simultanément les seuils d'instabilité du mode transversal (TMI) et de diffusion Raman stimulée (SRS) dans les amplificateurs à fibre haute puissance, tels que le diamètre cœur/gaine, l'ouverture numérique du cœur (NA), le rapport de surface de dopage, le coefficient d'absorption de la pompe de gaine ou la longueur effective de la fibre. Pour la plupart de ces facteurs, les seuils de SRS et de TMI sont en conflit les uns avec les autres dans la conception d'amplificateurs à fibre haute puissance [voir Tao, Wang et Zhou24 ; Jauregui, Stihler et Limpert25 ; Hejaz, Shayganmanesh, Rezaei-Nasirabad, Roohforouz, Azizi, Abedinajafi et Vatani31 ; Distler, Möller, Strecker, Palma-Vega, Walbaum et Schreiber34]. Il convient de noter qu'une diminution de NA peut augmenter la zone de champ de mode effective (EMFA) du mode fondamental (FM) et améliorer le seuil SRS pour un fonctionnement à diffraction quasi limitée (NDL) [voir Smith17]. De plus, une réduction de NA peut être obtenue grâce à une méthode d'enroulement spécifique pour augmenter la perte relative des modes d'ordre supérieur (HOM), ce qui présente également l'avantage de supprimer le TMI [voir Tao, Su, Ma, Wang et Zhou30 ; Tao, Ma, Wang, Zhou et Liu38].

En général, les caractéristiques EMFA et de perte de la FM ont été largement estimées en utilisant le diamètre du cœur, l'AN et le rayon d'enroulement de la fibre active [voir Schermer et Cole39]. Cependant, l'AN du cœur est souvent une approximation moyenne de la section transversale du profil d'indice de réfraction (RIP), qui est difficile à estimer avec précision. Par conséquent, dans ce travail, l'optimisation de la fibre active a été réalisée sous le contrôle du RIP transversal. La figure 3 illustre le RIP mesuré du YDF domestique (Fibre_A) et fournit également le RIP du YDF (Fibre_B) utilisé dans l'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite de 6,12 kW précédemment rapporté à des fins de comparaison [voir Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao et Zhou16]. La valeur crête-vallée (PV) est d'environ 4 × 10–4 et a été provisoirement générée dans un triangle inversé avec une base d'environ 5,5 μm. L'ajout de la zone de tassement sacrifiera dans une certaine mesure l'EMFA du FM, mais la perte de courbure pour la suppression du TMI est considérablement augmentée. De plus, la diminution de l'EMFA du FM peut être compensée en réduisant l'NA moyen du cœur. Par rapport au RIP de la fibre B, l'NA moyen du cœur de la fibre A est réduit de 0,061 à 0,059. Dans l'ensemble, l'EMFA du FM et la perte de courbure des HOM peuvent être augmentés simultanément (comme indiqué ci-dessous), ce qui est bénéfique pour obtenir une puissance de sortie d'amplificateur à fibre plus élevée en équilibrant mieux le SRS et le TMI.

L'EMFA de FM pour les deux YDF a été calculé à l'aide de méthodes d'éléments finis, sur la base du RIP mesuré illustré à la Figure 2, comme illustré à la Figure 4(a). Comme le montre la Figure 4(a), lorsque les rayons d'enroulement sont différents, l'EMFA d'un YDF spécifique change très peu. Dans divers scénarios, l'EMFA de Fiber_A est 12,4 % plus grande que celle de Fiber_B. Sur la base de l'EMFA de FM pour les deux YDF, nous pouvons simuler le rapport d'amélioration du seuil SRS pour l'amplificateur à fibre utilisant Fiber_A par rapport à l'amplificateur à fibre utilisant Fiber_B, comme décrit dans le modèle SRS traditionnel [voir Liu, Ma, Lv, Xu, Zhou et Jiang19]. La Figure 4(b) illustre le facteur d'amélioration SRS correspondant lorsque le rapport de puissance de la pompe arrière est différent. Comme le montre la Figure 4(b), l'amélioration SRS diminue avec une augmentation du rapport de pompe arrière et, dans différents cas, le SRS

Les coefficients de perte pour les modes LP01 et LP11 des deux YDF sont présentés dans les figures 5(a) et 5(b), respectivement. Comme le montrent ces figures, les coefficients de perte totaux pour les modes LP01 et LP11 d'un YDF spécifique diminuent en fonction du rayon d'enroulement. La figure 5(a) montre qu'à rayon d'enroulement identique, le coefficient de perte de mode LP01 de la fibre A est systématiquement supérieur à celui de la fibre B. Par exemple, lorsque le rayon d'enroulement est fixé à 4 cm, les coefficients de perte LP01 pour la fibre A et la fibre B sont respectivement de 0,059 dB/m et de 0,026 dB/m. La figure 5(b) révèle que lorsque le rayon d'enroulement est compris entre 4,5 et 6,0 cm, le coefficient de perte de mode LP11 de la fibre A est comparable à celui de la fibre B. Cependant, il convient de noter que lorsque le rayon d'enroulement est inférieur à 4,25 cm, le coefficient de perte de mode LP11 de la fibre A est supérieur à celui de la fibre B. Lorsque le rayon de la bobine est fixé à 4 cm, le coefficient de perte de mode LP11 de la fibre A est de 227,7 dB/m, ce qui est 1,5 fois plus élevé que celui de la fibre B (151,6 dB/m).

4. Tout d'abord, les spectres de l'oscillateur maître modulé (MO) et le spectre après PAM ont été caractérisés, comme le montre la figure 6. Les résultats de la figure 6 indiquent que, pendant le processus de préamplification, la distribution spectrale et la largeur de raie sont bien préservées. Après PAM, la largeur de raie à 3 dB mesurée est de 0,83 nm.

Ensuite, les caractéristiques de l'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite avec pompage arrière ont été étudiées, et la conversion de puissance de sortie avec puissance de pompage a été affichée dans la Figure 7(a). L'efficacité de pente est de 83,3 %, ce qui permet d'atteindre 4,20 kW de puissance de sortie à une puissance de pompage de 5,16 kW, avec une efficacité de conversion optique-optique de 81,5 %. Les spectres de sortie à plusieurs puissances de sortie typiques sont présentés dans la Figure 7(b). À la puissance de sortie maximale, la largeur de ligne spectrale mesurée à 3 dB est de 0,41 nm. Dans l'expérience, lorsque la puissance de pompage arrière a été augmentée de 4,90 kW (puissance de signal 4,00 kW) à 5,16 kW (puissance de signal 4,20 kW), une enveloppe de type bruit a été observée dans la transformée de Fourier de la trace temporelle dans les 5 kHz, comme illustré dans la Figure 7©. Par conséquent, pour l'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite avec pompage arrière, TMI se produit à une puissance de pompage de 5,16 kW.

De même, la puissance de sortie, le spectre et la transformée de Fourier de la trace temporelle de l'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite avec pompage direct ont été examinés, avec des résultats typiques présentés dans les Figures 8(a)–8©. Comme le montre la Figure 8(a), la puissance de sortie augmente linéairement jusqu'à 2,69 kW à une puissance de pompage de 4,23 kW, avec une efficacité de pente de 63,9 %. Lorsque la puissance de pompage est encore augmentée à 4,38 kW, la puissance sature à 2,70 kW. À une puissance de pompage de 4,23 kW, l'efficacité de conversion optique-optique est de 63,7 %, et la largeur de ligne spectrale mesurée à 3 dB est de 0,75 nm (comme le montre la Figure 8(b)). La Figure 8© illustre l'enveloppe de Fourier induite par TMI dans les 5 kHz. En comparant la conversion de puissance avant et après, on peut en déduire qu'il existe une différence significative d'efficacité de conversion dans l'expérience. Ce phénomène peut être attribué à la différence de distribution de puissance entre le pompage avant et arrière, car la perte globale causée par la fibre active courbée est un effet global de la distribution de puissance et des coefficients de perte.

La figure 9(a) illustre la puissance de sortie de l'amplificateur à fibre dans une configuration de pompage bidirectionnel. Dans ce scénario, nous avons d'abord augmenté la puissance de pompage direct, en augmentant la puissance de sortie à 1,01 kW, puis augmenté la puissance de pompage inverse pour augmenter encore la puissance de sortie à 5,35 kW, et enfin augmenté la puissance de pompage direct à 7,03 kW. Comme le montre la figure 9(a), la puissance de sortie du laser de signal augmente presque linéairement avec la puissance de pompage. À une puissance de pompage de 9,4 kW, la puissance de sortie maximale est de 7,03 kW, avec un rendement de conversion global de 74,2 %. Les puissances de pompage direct et inverse correspondantes sont respectivement de 4,23 kW et 5,16 kW. Une observation intéressante est que la limite de puissance de sortie dans le pompage bidirectionnel est légèrement supérieure à la puissance totale du pompage direct et inverse séparé, qui étaient respectivement de 4,23 kW et 5,16 kW. Ce résultat peut être attribué au fait que l'augmentation de la température à l'extrémité de la fibre élargit l'ouverture numérique du cœur (NA) et réduit la perte de transmission causée par la courbure du signal direct due au pompage bidirectionnel [voir Schermer et Cole39 ; Brown et Hoffman40].

Dans notre expérience, nous avons mesuré la puissance de retour collectée par le circulateur optique (OC) pour surveiller l'effet SBS. Le rapport de puissance de retour (Rb), défini comme le rapport entre la puissance de retour et la puissance de sortie, varie avec la puissance de sortie comme indiqué dans la Figure 9(b). En général, la pente de l'augmentation de Rb avec le pompage vers l'avant est supérieure à celle du pompage vers l'arrière. Plus précisément, lorsque la puissance de sortie est augmentée de 1,01 kW à 5,35 kW avec le pompage vers l'arrière, Rb passe de 0,017 ‰ à 0,031 ‰. Lorsque la puissance de pompage vers l'avant est injectée, Rb augmente presque linéairement avec la mise à l'échelle de la puissance. À la puissance de sortie maximale, Rb est calculé comme étant à 0,05 ‰ près. Tout au long du processus d'amplification, nous n'avons pas observé de tendance de croissance non linéaire exponentielle, ce qui indique que l'amplificateur à fibre fonctionne en dessous du seuil SBS.

La figure 10(a) illustre les spectres de sortie du laser de signal à différentes puissances de sortie. Comme illustré sur la figure 10(a), les ailes spectrales s'élargissent avec l'amélioration du SRS. Ce phénomène peut être compris grâce à l'élargissement des ailes spectrales induit par le mélange à quatre ondes [voir Liu, Song, Ma, Xiao et Zhou23]. À la puissance de sortie maximale, les largeurs de raie spectrale à 3 dB et 20 dB du laser de signal sont respectivement de 0,76 nm et 2,92 nm. La composante spectrale proche de 1135 nm commence à augmenter à une puissance de sortie de 5,35 kW. À la puissance de sortie maximale, le rapport signal/bruit (SNR) de crête est de 31,4 dB, ce qui est supérieur à la lumière Raman Stokes. Le rapport de puissance correspondant de la lumière Raman Stokes (défini par le rapport Raman) est calculé en divisant le spectre intégré de 1 110 à 1 150 nm par le spectre intégré de 1 050 à 1 150 nm, comme illustré dans la Figure 10(b). Les résultats indiquent que le rapport Raman reste autour de –49,0 dB lorsque la puissance de sortie est inférieure à 5,35 kW, augmente légèrement à –43,7 dB à 6,10 kW et atteint rapidement –24,5 dB (0,36 %) à la puissance de sortie maximale.

Les figures 10© et 10(d) illustrent les traces temporelles normalisées et les transformées de Fourier correspondantes du signal laser à différentes puissances de sortie. La tendance à la hausse des fluctuations d'intensité et des enveloppes de fréquence suggère que l'amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite fonctionne près de son seuil TMI. À la puissance de sortie maximale, la qualité du faisceau (facteur M2) est mesurée à l'aide de M2-200s, avec Mx2 = 1,26 et My2 = 1,25 pour les directions x et y, respectivement. L'encart de la figure 10(d) est le profil du faisceau à la distance focale de M2-200s, ce qui indique également que la qualité du faisceau NDL a été atteinte.

Français La Figure 11 illustre la largeur de raie spectrale à 3 dB du signal laser mesuré sous différentes puissances de sortie et processus de pompage. Comme illustré sur la Figure 11, la largeur de raie spectrale globale à 3 dB est influencée par la puissance de sortie, la direction de la puissance de pompage et le rapport entre la puissance de pompage avant et arrière, et elle devient instable à mesure que la puissance augmente. Le phénomène observé sur la Figure 11 peut être attribué aux fluctuations du bruit d'intensité provoquées par le processus de modulation de phase, qui peut générer un chirp de fréquence par l'effet de l'automodulation de phase [voir Liu, Ma, Lai, Song, Zhang, Li, Xiao et Zhou41 ; Liu, Feng, Wang, Wang, Li, Liu, Shi, Wei, Yan, Peng, Sun, Shang, Ma, Gao et Tang43]. Cela peut soit améliorer soit atténuer la modulation de phase d'origine à différentes puissances de sortie, ce qui conduit finalement à des changements dans la largeur de raie spectrale à 3 dB.

5. Dans ce travail, nous avons démontré un amplificateur à fibre à largeur de ligne étroite tout en fibre de 7 kW battant tous les records avec une qualité de faisceau à diffraction quasi limitée (NDL). L'utilisation d'un laser d'amorçage à fréquence unique avec modulation de signal de bruit blanc (WNS) a efficacement supprimé l'impact de la diffusion Brillouin stimulée (SBS). En optimisant l'indice de réfraction de la fibre active à grande surface de mode (LMA), nous avons obtenu une suppression équilibrée de la diffusion Raman stimulée (SRS) et de l'instabilité du mode transversal (TMI). Une analyse quantitative a été réalisée pour mettre en évidence les avantages de la fibre LMA active optimisée en augmentant simultanément la surface de champ de mode effective (EMFA) du mode fondamental (FM) et le coefficient de perte des modes d'ordre supérieur (HOM). Les capacités de mise à l'échelle de puissance, les caractéristiques spectrales et temporelles des processus de pompage avant et arrière ont été étudiées séparément. De plus, le rapport signal/bruit (SNR) est de 31,4 dB et le facteur de qualité du faisceau Mx2 = 1,26, My2 = 1,25 du laser à fibre à largeur de ligne étroite de 7,03 kW a été obtenu grâce à un pompage bidirectionnel. Nous pensons que ce travail peut apporter de nouvelles perspectives et stratégies de conception pour les lasers à fibre à largeur de ligne étroite de haute puissance avec une qualité de faisceau NDL.

Remerciements : Ce travail a été soutenu par le Programme national de recherche et développement clé de Chine (n° 2022YFB3606400) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° U22A6003).