Nonlinear effects in high-power double-clad Er3+/Yb3+ fiber lasers and amplifiers - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2003

Nonlinear effects in high-power double-clad Er3+/Yb3+ fiber lasers and amplifiers

Étude des effets non linéaires dans les lasers et amplificateurs de puissance à fibre double gaine dopée Er3+/Yb3+

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Abstract

Over the last few years there has been a large increase in the output power required of optical sources. The introduction of double-clad Er3+/Yb3+ doped fibers in the design of lasers and amplifiers has made it possible to obtain much higher power, which was hardly conceivable a few years ago. We can now envisage applying this technology, which was initially used in telecom devices, to other fields like medical, laser cutting, laser branding, lidar, drilling, welding, etc. Due to the high powers used in these devices, the apparition of nonlinear effects is inevitable. Nonlinear effects cause interference or distortion which damage the quality of the signals. Thus, understanding nonlinearities is essential in order to find engineering guidelines which reduce them when designing new devices. This work presents a theoretical and experimental contribution to the study of nonlinear effects in high-power double-clad Er3+/Yb3+ doped fiber amplifiers and lasers, specially self-phase modulation and stimulated Brillouin scattering. Self-phase modulation has been studied for pulses shorter than 4 ps. After the experimental set-up, a simulation tool has been created using the nonlinear Schrödinger equation with gain. So as to obtain more powerful pulses than self-phase modulation enables, a chirped pulse amplification system has been set up. Pulses as short as 450 fs with more than 35 kW of peak power have been obtained. For large impulsions -more than 10 ns-, the maximum output power is limited by another nonlinear effect: stimulated Brillouin scattering. This effect has been studied experimentally and modelled by a five-coupled equation system. As well as for self-phase modulation, a simulation tool has been set up. Other effects, such as stimulated Raman scattering or parametric amplification have also been investigated.
Depuis quelques années, nous assistons à une augmentation soutenue de la demande en puissance des sources optiques. L'introduction des fibres à double gaine dopées Er3+/Yb3+ dans la conception des lasers et des amplificateurs a permis l'obtention de puissances très élevées, impossibles à imaginer quelques années auparavant. L'évolution de cette technologie, conçue en principe pour des systèmes télécom, permet d'envisager de nombreuses applications dans d'autres secteurs tels que le médical, la découpe laser, le marquage, le lidar, le perçage, le soudage, ou le traitement de surface, entre autres. Du fait des fortes puissances mises en jeu dans de tels composants, l'apparition des effets non linéaires devient incontournable. Les effets non linéaires sont à l'origine d'interférences ou de distorsions qui dégradent considérablement les signaux. La compréhension de ces effets devient donc indispensable dans l'optique de trouver des règles d'ingénierie aidant à les minimiser lors de la conception de nouveaux composants. Ce mémoire présente une contribution, à la fois théorique et expérimentale, à l'étude des effets non linéaires dans les lasers et amplificateurs de puissance à fibre double gaine dopée Er3+/Yb3+, portant plus particulièrement sur l'automodulation de phase et la diffusion Brillouin stimulée. L'automodulation de phase a été traitée dans le cas des impulsions d'une durée inférieure à 4 ps. Après une mise en évidence expérimentale, un outil de simulation a été créé à l'aide de l'équation de Schrödinger non linéaire avec gain. Afin d'obtenir des impulsions de puissance supérieure à celle imposée par l'automodulation de phase, un système d'amplification d'impulsions utilisant l'architecture CPA ('Chirped Pulse Amplification') a été mis en place, permettant l'obtention d'impulsions de 450 fs avec une puissance crête supérieure à 35 kW. Dans le cas des impulsions larges -d'une durée supérieure à 10 ns-, la puissance maximum de sortie est limitée par un autre effet: la diffusion Brillouin stimulée. Cet effet a également été mis en évidence de façon expérimentale, puis modélisé à l'aide d'un système de cinq équations couplées. Comme dans le cas de l'automodulation de phase, un outil de simulation a aussi été créé. D'autres effets, tels que la diffusion Raman stimulée ou l'amplification paramétrique ont également été étudiés de façon expérimentale.
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Dates and versions

pastel-00000743 , version 1 (14-02-2005)

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  • HAL Id : pastel-00000743 , version 1

Cite

Elena Olmedo Herrero. Nonlinear effects in high-power double-clad Er3+/Yb3+ fiber lasers and amplifiers. domain_other. Télécom ParisTech, 2003. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00000743⟩
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