Les lasers à fibre haute-puissance constituent des outils essentiels dans les applications scientifiques, industrielles et de défense. Le principal obstacle à l’augmentation de la puissance des amplificateurs laser à fibre à fréquence unique est la diffusion Brillouin stimulée (SBS). Lorsque la puissance optique dépasse le seuil SBS, le signal lumineux transmis vers l'avant excite une intense lumière Stokes vers l'arrière. Cela épuise non seulement l'énergie de la pompe et réduit l'efficacité de sortie, mais peut également endommager les composants de précision frontaux. L'augmentation du diamètre du cœur de la fibre et l'élargissement du spectre du signal peuvent élever le seuil SBS, supprimant ainsi les effets SBS dans les amplificateurs à fibre monofréquence -. Les efforts actuels d'atténuation du SBS se limitent en grande partie aux amplificateurs à fibre monomode-ou à quelques-modes avec une qualité de faisceau élevée, ce qui rend difficile l'obtention simultanée d'une puissance élevée, d'une largeur de raie étroite et d'une sortie de faisceau de haute-qualité. Cet article explore un amplificateur à fibre multimode (MMF) dans lequel le SBS est considérablement supprimé en raison de la réduction de l'intensité optique dans le grand noyau et de l'élargissement du spectre de diffusion Brillouin provoqué par l'excitation multimode. En appliquant une mise en forme du front d'onde spatial à la lumière d'entrée de l'amplificateur non linéaire, le faisceau de sortie est focalisé sur un point limité par diffraction-, atteignant une puissance élevée (503 W), une largeur de raie étroite (1 kHz) et une sortie de faisceau de haute-qualité.
Figure 1 Schéma de la configuration optique expérimentale
La figure 1 montre la configuration optique de cette étude. La lumière de départ à une longueur d'onde de 1 064 nm subit une pré-amplification et une expansion du faisceau dans une fibre monomode-avant que sa phase de front d'onde ne soit modulée par un modulateur spatial de lumière (SLM). Le signal lumineux modulé est d'abord couplé dans une fibre multimode passive, combiné avec la lumière de pompe, puis amplifié dans une fibre à gain multimode dopée Yb- prenant en charge 76 modes. Après amplification, le signal lumineux entre dans le chemin de mesure pour évaluer les paramètres tels que la puissance, le spectre, la largeur de raie, le point focal et la phase. Cette étude examine les caractéristiques SBS dans les fibres multimodes. Les résultats indiquent que le seuil SBS (puissance maximale sans génération SBS) dans MMF est significativement plus élevé que dans la fibre monomode-. Les résultats de simulation montrent que pour le MMF utilisé (diamètre du coeur 42 μm), le seuil SBS est d'environ 24 W lorsque seul le mode fondamental est excité, soit 8 fois supérieur à celui d'une fibre monomode de 15 μm de diamètre. En raison du couplage de modes inévitable dans la fibre, le MMF ne peut pas réaliser une excitation pure en mode fondamental. Les mesures indiquent un seuil SBS de 59 W sous excitation à quelques modes - et de 97 W sous excitation multi- modes en MMF, comme le montre la figure 2 (A).
Figure 2 (A) Seuils SBS dans les fibres monomodes et multimodes ; (B) Spectres de gain SBS pour l’excitation fondamentale et multimode dans MMF
Cet article établit une théorie semi--analytique pour le SBS dans les amplificateurs MMF, analysant le couplage entre les différents modes lumineux de signalisation et la lumière de Stokes pour dériver les coefficients de gain SBS correspondants. Cette théorie indique que le coefficient de gain SBS dans les conditions d'excitation multimode au sein de MMF est inférieur à celui de n'importe quel scénario d'excitation monomode-. L’excitation multimode dans MMF élargit considérablement le spectre de gain SBS, réduit le pic de gain et permet d’augmenter le seuil SBS, comme le montre la figure 2(B). En raison de la nature de propagation vers l'arrière de la lumière Stokes, des longueurs MMF plus longues entraînent un gain SBS plus important et un seuil correspondant plus bas. Les expériences démontrent que la lumière de la pompe s'épuise dans un délai d'environ 6 m. En raccourcissant la longueur de la fibre et en mesurant le seuil SBS, les résultats indiquent que le seuil SBS est inversement proportionnel à la longueur effective du MMF. À une longueur MMF de 3,7 m, l'amplificateur atteint un seuil SBS maximum (c'est-à-dire la puissance de sortie maximale) de 503 W, soit cinq fois le seuil SBS (résultat du calcul théorique) pour l'excitation en mode fondamental uniquement.
Figure 3 Relation entre la durée effective du MMF et le seuil SBS ; encart : intensité du point focal de sortie en fonction de la phase
Pour contrôler la sortie du MMF, cette étude a modulé la phase du front d'onde à l'aide d'un modulateur spatial de lumière (SLM) avant que le signal lumineux n'entre dans le MMF. La plage de modulation couvrait toute l'ouverture d'entrée du MMF. Dans cette plage de modulation, les pixels ont été divisés en 256 macropixels. En partant du pixel central, la phase de chaque pixel a été scannée selon un motif en spirale pour obtenir un résultat optimal sur le plan focal. Sous l'influence du contrôle de phase du front d'onde, des interférences se produisent entre différents modes au sein du MMF, formant un point de haute -qualité sur le plan focal de sortie. L'intensité du spot et la distribution de phase sont indiquées dans l'encadré en haut à droite de la figure 3, révélant une intensité et une distribution de phase uniformes, indiquant une excellente qualité du spot sur le plan focal. Figure 4 : Spots sur le plan focal MMF (A) et à des positions légèrement défocalisées (B, C) ; qualité du faisceau de sortie mesurée (M2) (D)
La figure 4 affiche les profils de faisceau au plan focal et sous légère défocalisation (200, 400 μm). Les mesures indiquent une efficacité focale de 76 % au niveau du plan focal, ce qui signifie que 76 % de l'énergie du faisceau réside dans la plage focale. Les valeurs M2 mesurées dans les directions x et y sont respectivement de 1,05 et 1,35, ce qui indique une bonne qualité du faisceau. Les résultats démontrent que la modulation de phase basée sur SLM améliore efficacement la qualité du spot sur le plan focal de la sortie MMF.
Figure 5 : Efficacité de la pente (A), spectre de sortie (B) et largeur de raie (C) de l'amplificateur MMF [1]
L'efficacité de sortie, le spectre et la largeur de raie de l'amplificateur ont également été mesurés. L'amplificateur MMF a atteint un rendement de pente de 82 %, comme le montre la figure 5 (A), conformément aux prévisions théoriques. Le spectre de sortie (Figure 5B) montre un pic de signal à 1 064 nm avec une intensité ASE relative de 52 dB, tandis que le pic du côté gauche- représente un faible signal de pompe résiduel. En raison de la largeur de raie de sortie extrêmement étroite, les spectromètres conventionnels avaient du mal à la mesurer. Par conséquent, des méthodes hétérodynes ont été utilisées pour déterminer les largeurs de ligne d’entrée et de sortie. L'amplificateur MMF construit dans ce travail présente une largeur de ligne de sortie de 35 kHz (20 - dB) / 1 kHz (3 dB, c'est-à-dire pleine largeur à moitié maximum), ne montrant aucune différence significative par rapport à la largeur de ligne d'entrée. Son excellente cohérence temporelle répond aux exigences des mesures interférométriques de précision. Cet article développe systématiquement la théorie SBS des fibres multimodes en considérant l'épuisement de la pompe et la saturation du gain. Il propose d'intégrer une amplification par fibre multimode avec une modulation de phase du front d'onde pour réaliser simultanément la suppression SBS et l'optimisation du spot de sortie. L'amplificateur MMF construit fonctionne avec une puissance élevée, un rendement élevé et une largeur de ligne étroite, garantissant une cohérence élevée. Cette technologie présente des applications potentielles dans la combinaison de faisceaux cohérents, l'interférométrie à grande échelle et les systèmes d'énergie dirigée.
Références : [1] Stefan Rothe et al., La mise en forme du front d'onde permet un amplificateur à fibre multimode de haute -puissance avec focalisation sur la sortie. Sciences 390, 173-177 (2025).
