No description available.

Dans une ère basée sur les technologies, les techniques employées pour la fabrication des pièces de tout genre, que ce soit de l'usinage de précision ou du marquage jusqu'au nettoyage et traitement de surface, font intervenir les lasers. De ce fait, l'amélioration de ces lasers demeure un sujet d'actualité dans le domaine de la recherche et du développement en milieu académique et industriel. Depuis les dernières années, l'atteinte de nouveaux seuils de puissance pour les lasers à fibre, les plus communément utilisés en industrie, est limitée par des effets non linéaires tels que la diffusion Raman, l'instabilité du mode transverse, l'autofocalisation par effet Kerr, etc. Le but de ce projet de maîtrise est de développer un composant photonique ayant le potentiel de mitiger certains de ces effets non linéaires, le réflecteur de pompe, dont la fonction est de recycler la pompe résiduelle d'un laser à fibre de haute puissance opérant en régime continu. L'ajout de ce composant aux schémas de laser à fibre permet d'en réduire la longueur de la fibre de gain, ce qui, en plus de repousser le seuil des effets non linéaires, réduit également le coût global des systèmes laser à fibre. Une adaptation rotative de la méthode d'inscription classique des réseaux de Bragg par balayage du masque au laser à impulsions femtosecondes est présentée dans ce mémoire. Un système laser tout fibre émettant à 1080 nm pompé en copropagation par six diodes multimodes à 915 nm ayant une puissance totale de 774 W a été conçu. Un simulateur résolvant par la méthode de Fourier à pas alternés les équations non linéaires de Schrödinger de la propagation du signal a été utilisé pour calculer la longueur de fibre optimale dans le schéma laser seul et celui intégrant le réflecteur de pompe. Les quatre prototypes de réflecteur de pompe testés dans le laser ont amélioré l'efficacité, la puissance maximale atteinte et ils ont diminué la valeur du seuil laser par rapport à la cavité initiale. Avec le prototype le plus prometteur, l'efficacité maximale atteinte pour une cavité de 36.1 m était de 79.0 % et la puissance maximale de 608 W, ce qui représente un gain de respectivement 2.9 % et 22 W par rapport à la cavité sans réflecteur de pompe. La cavité a été raccourcie à 18.2 m, l'efficacité et la puissance maximale atteinte étaient de 69.5 % et 534 W, ce qui correspond à un gain de 5.6 % et 43 W. Un écart de seulement 74 W est obtenu soit 12 % de diminution de puissance, pour une diminution de près de 50 % de la longueur initiale de la fibre de gain. La diminution de la longueur de fibre de gain limite grandement l'élargissement spectral observé expérimentalement, tel que prévu. Il a également été démontré qu'un réseau inscrit plus large spectralement vers les hautes longueurs d'onde réfléchissait davantage les modes d'ordres supérieurs se trouvant à de grandes ouvertures numériques. / In an era that is based on technology, the techniques that are used to manufacture parts of all kinds, whether it be precision machining, marking to cleaning and surface treatment involve lasers. There by, improvement of these lasers remains a hot topic in the academic and industrial field of research and development. For the past few years, power scaling of most commonly used in industry high power fiber lasers are limited by non linear effects such as Raman scattering, transverse mode instability, self-focusing Kerr effect, etc. This master's project aims to develop a photonic component, the pump reflector, whose function is to recycle the residual pump power of a high power fiber laser in continuous-wave operation. The addition of this component to the laser scheme makes it possible to reduce the length of the gain fiber, which, in addition to pushing back the threshold of nonlinear effet and also reduces overall costs of fiber laser systems. A rotating adaptation of the classical fiber Bragg grating writing method using femtosecond laser pulses by phase mask scanning is presented in this work. An all-fiber laser system operating at 1080 nm in co-pumped configuration using six laser diodes at 915 nm with 774 W total power was designed. A simulator using a Fourier split-step method to solve the non linear Schrödinger equations that describe signal propagation was operated to calculate the optimal gain fiber length for the laser scheme alone and the one incorporating the pump reflector. The four tested prototypes in the laser have improved the laser efficiency slope, the maximum power and decreased the threshold value compared with the first cavity. With the most promising prototype, the laser efficiency slope reached 79.0 % and a maximum power of 608 W for the 36.1 m cavity which represents a gain of 2.9 % and 22 W respectively compared with the cavity without pump reflector. The cavity length was shortened to 18.2 m, the slope efficiency and the maximum power reached 69.51 % and 534 W. The maximum gain compared to the laser system alone was 5.6 % for the slope efficiency and 43 W for the maximum power. A difference of only 74 W is obtained, i.e. a 12 % reduction in power was observed by reducing the initial length of the gain fiber by 50 %. The reduction of the gain fiber length greatly limits spectral broadening; this was observed experimentaly, as expedected. It has also been demonstrated that a spectrally broader inscribed grating towards higher wavelengths reflected higher order modes present at high numerical apertures.

Dans une ère basée sur les technologies, les techniques employées pour la fabrication des pièces de tout genre, que ce soit de l'usinage de précision ou du marquage jusqu'au nettoyage et traitement de surface, font intervenir les lasers. De ce fait, l'amélioration de ces lasers demeure un sujet d'actualité dans le domaine de la recherche et du développement en milieu académique et industriel. Depuis les dernières années, l'atteinte de nouveaux seuils de puissance pour les lasers à fibre, les plus communément utilisés en industrie, est limitée par des effets non linéaires tels que la diffusion Raman, l'instabilité du mode transverse, l'autofocalisation par effet Kerr, etc. Le but de ce projet de maîtrise est de développer un composant photonique ayant le potentiel de mitiger certains de ces effets non linéaires, le réflecteur de pompe, dont la fonction est de recycler la pompe résiduelle d'un laser à fibre de haute puissance opérant en régime continu. L'ajout de ce composant aux schémas de laser à fibre permet d'en réduire la longueur de la fibre de gain, ce qui, en plus de repousser le seuil des effets non linéaires, réduit également le coût global des systèmes laser à fibre. Une adaptation rotative de la méthode d'inscription classique des réseaux de Bragg par balayage du masque au laser à impulsions femtosecondes est présentée dans ce mémoire. Un système laser tout fibre émettant à 1080 nm pompé en copropagation par six diodes multimodes à 915 nm ayant une puissance totale de 774 W a été conçu. Un simulateur résolvant par la méthode de Fourier à pas alternés les équations non linéaires de Schrödinger de la propagation du signal a été utilisé pour calculer la longueur de fibre optimale dans le schéma laser seul et celui intégrant le réflecteur de pompe. Les quatre prototypes de réflecteur de pompe testés dans le laser ont amélioré l'efficacité, la puissance maximale atteinte et ils ont diminué la valeur du seuil laser par rapport à la cavité initiale. Avec le prototype le plus prometteur, l'efficacité maximale atteinte pour une cavité de 36.1 m était de 79.0 % et la puissance maximale de 608 W, ce qui représente un gain de respectivement 2.9 % et 22 W par rapport à la cavité sans réflecteur de pompe. La cavité a été raccourcie à 18.2 m, l'efficacité et la puissance maximale atteinte étaient de 69.5 % et 534 W, ce qui correspond à un gain de 5.6 % et 43 W. Un écart de seulement 74 W est obtenu soit 12 % de diminution de puissance, pour une diminution de près de 50 % de la longueur initiale de la fibre de gain. La diminution de la longueur de fibre de gain limite grandement l'élargissement spectral observé expérimentalement, tel que prévu. Il a également été démontré qu'un réseau inscrit plus large spectralement vers les hautes longueurs d'onde réfléchissait davantage les modes d'ordres supérieurs se trouvant à de grandes ouvertures numériques. / In an era that is based on technology, the techniques that are used to manufacture parts of all kinds, whether it be precision machining, marking to cleaning and surface treatment involve lasers. There by, improvement of these lasers remains a hot topic in the academic and industrial field of research and development. For the past few years, power scaling of most commonly used in industry high power fiber lasers are limited by non linear effects such as Raman scattering, transverse mode instability, self-focusing Kerr effect, etc. This master's project aims to develop a photonic component, the pump reflector, whose function is to recycle the residual pump power of a high power fiber laser in continuous-wave operation. The addition of this component to the laser scheme makes it possible to reduce the length of the gain fiber, which, in addition to pushing back the threshold of nonlinear effet and also reduces overall costs of fiber laser systems. A rotating adaptation of the classical fiber Bragg grating writing method using femtosecond laser pulses by phase mask scanning is presented in this work. An all-fiber laser system operating at 1080 nm in co-pumped configuration using six laser diodes at 915 nm with 774 W total power was designed. A simulator using a Fourier split-step method to solve the non linear Schrödinger equations that describe signal propagation was operated to calculate the optimal gain fiber length for the laser scheme alone and the one incorporating the pump reflector. The four tested prototypes in the laser have improved the laser efficiency slope, the maximum power and decreased the threshold value compared with the first cavity. With the most promising prototype, the laser efficiency slope reached 79.0 % and a maximum power of 608 W for the 36.1 m cavity which represents a gain of 2.9 % and 22 W respectively compared with the cavity without pump reflector. The cavity length was shortened to 18.2 m, the slope efficiency and the maximum power reached 69.51 % and 534 W. The maximum gain compared to the laser system alone was 5.6 % for the slope efficiency and 43 W for the maximum power. A difference of only 74 W is obtained, i.e. a 12 % reduction in power was observed by reducing the initial length of the gain fiber by 50 %. The reduction of the gain fiber length greatly limits spectral broadening; this was observed experimentaly, as expedected. It has also been demonstrated that a spectrally broader inscribed grating towards higher wavelengths reflected higher order modes present at high numerical apertures.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 93-99. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse de doctorat : ? : Bordeaux 1 : 2009. Thèse de doctorat : ? : University of Central Florida Orlando, Florida : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

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Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Titre de l'écran-titre (visionné le 31 juillet 2023) / Le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen a soulevé beaucoup d'intérêt en recherche au cours des deux dernières décennies. Ces sources laser sont particulièrement intéressantes pour la télédétection de gaz atmosphériques, pour le diagnostic médical, pour la découpe de tissus biologiques, pour le traitement des matériaux et pour les applications en défense et sécurité. Cependant, elles ne sont pas encore suffisamment robustes et fiables pour permettre leur utilisation à grande échelle. Cette thèse se concentre donc sur le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant autour de 2.8 µm avec une architecture tout-fibre adaptée pour les applications nécessitant des systèmes robustes pouvant être déployés dans des environnements non contrôlés. Ainsi, ces lasers sont également intéressants pour l'usinage laser et les applications biomédicales ainsi que pour les applications en défense et sécurité. Le chapitre 1 présente l'état de l'art des lasers à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen, autant en régime continu qu'en régime impulsionnel, et les défis technologiques à relever pour leur permettre de percer dans les différentes applications d'intérêt. Ensuite, le premier laser impulsionnel à commutation du gain ayant une architecture tout-fibre émettant dans l'infrarouge moyen est présenté au chapitre 2. Celui-ci génère des impulsions aussi courtes que 170 ns avec une énergie par impulsion de 80 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Au chapitre 3, le développement d'un nouvel absorbant saturable à partir d'une fibre en silice dopée au dysprosium a permis la commutation des pertes d'un laser tout-fibre émettant des impulsions à 2.8 µm avec une durée de 240 ns et une énergie de 4.9 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Pour y arriver, un réseau de Bragg à pas variable hautement réflectif inscrit dans l'absorbant saturable en silice est utilisé de façon novatrice pour l'infrarouge moyen. Nous avons aussi optimisé la technique d'épissure entre une fibre en silice et une autre en verre fluoré pour obtenir une bonne transmission monomode. Finalement, le chapitre 4 présente les effets des paramètres d'un réseau de Bragg uniforme à large bande spectrale, de la longueur de la fibre active et d'un combinateur de pompe fibré sur les performances d'un laser à fibre optique émettant des impulsions aussi courtes que 15 ps à 2.8 µm par synchronisation modale à l'aide d'un SESAM. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la porte au déploiement des lasers impulsionnels émettant dans l'infrarouge moyen pour les applications ciblées.

Ce mémoire présente une étude de la dynamique d'un laser fibre muni d'un amplificateur à semi-conducteurs (SOA) opéré en régime FM. Ce régime d'opération est obtenu en introduisant une modulation de phase intracavité dont la fréquence de modulation est proche de la séparation fréquentielle des modes longitudinaux. Entièrement original dans les lasers à fibre, ce régime d'opération a permis de démonter un laser accordable dont le spectre possède une largeur de raie ajustable et un profil quasi gaussien. L'élargissement spectral varie de manière inversement proportionnelle à la déviation de la fréquence de modulation par rapport à la fréquence axiale. A partir d'un cadre théorique développé, la forme effective de raie (i.e. le profil spectral) peut quant à elle être sélectionnée à travers la forme de la modulation fréquentielle. La modulation de phase a été introduite dans la cavité à l'aide de trois schémas de modulation : introduction d'un modulateur de phase, introduction d'un modulateur d'amplitude ou modulation directe du courant d'injection du SOA. Des études expérimentales, numériques et théoriques on été effectuées afin de comprendre la dynamique de la cavité. Le régime FM obtenu à Laide de la modulation d'amplitude a permis de développer une nouvelle technique de mesure du paramètre d'élargissement de raie ("linewidth enhancement factor"). La comparaison avec une méthode connue a permis de distinguer les contributions de différents mécanismes au couplage phase-amplitude dans les amplificateurs à semi-conducteurs.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les lasers impulsionnels opérant dans l'infrarouge moyen ont ouvert la porte à une multitude d'applications au cours des dernières années, mais la plage spectrale entre 3 μm et 3.5 μm a largement fait défaut. L'ion dysprosium disposant d'une large plage d'émission couvrant cette plage a attiré beaucoup d'attention, notamment grâce au développement de sources laser pouvant être utilisées pour son pompage. L'objectif de cette thèse était de développer des sources impulsionnelles performantes basées sur des fibres de fluorozirconate dopées au dysprosium. Cette thèse présente dans un premier temps un article de revue présentant l'état de l'art des lasers à fibre dopée aux lanthanides émettant entre 3 μm et 5 μm. Les considérations spectroscopiques et théoriques du dysprosium sont ensuite discutées dans le second chapitre. Le troisième chapitre présente la modélisation numérique des lasers à fibre dopée au dysprosium ainsi que l'étude numérique des schémas de pompage considérés dans le cadre de cette thèse, soit le pompage à 1.1 um et le pompage à 2.8 μm. Les deux derniers chapitres présentent les principaux résultats expérimentaux obtenus. D'abord un pompage intrabande a permis d'obtenir les meilleures performances à ce jour pour un laser impulsionnel fibré opérant au-delà de 3 μm. Ce laser opérait à 3.24 μm pour des cadences de 20-120 kHz avec une puissance maximale de 1.4 W et une énergie maximale par impulsion de 19.2 μJ. Le dernier article présente un laser pompé cette fois-ci par un système laser à l'ytterbium à 1064 nm. Des performances plus modestes ont été obtenues, mais un record d'énergie par impulsion pour ce type de pompage avec 8.9 μJ a été obtenu à 10 kHz. Le laser opérait de 100-200 kHz, soit les cadences les plus élevées pour ce type laser, mais une puissance moyenne limitée à 207 mW. Ces résultats montrent que parmi les différents schémas de pompage disponibles, le pompage intrabande semble être celui produisant les meilleures performances et permettent d'établir des lignes directrices quant au développement futur des lasers à fibre dopée au dysprosium dans l'objectif de répondre aux besoins des applications dans le domaine de la détection de méthane et de l'usinage des polymères. / Pulsed lasers operating in the mid-infrared have opened the door to a multitude of applications in recent years, but the spectral range between 3 μm and 3.5 μm has been largely underserved. The dysprosium ion with a wide emission range covering this range has attracted a lot of attention, especially thanks to the development of laser sources that can be used for its pumping. The objective of this thesis was to develop efficient pulsed sources based on dysprosium doped fluorozirconate fibers. This thesis first presents a review article describing the state of the art of lanthanide-doped fiber lasers emitting between 3 μm and 5 μm. Spectroscopic and theoretical considerations of dysprosium are then discussed in the second chapter. The third chapter presents the numerical modeling of dysprosium-doped fiber lasers as well as the numerical study of the pumping schemes considered in this thesis, i.e., 1.1 μm pumping and 2.8 μm pumping. The last two chapters present the main experimental results obtained. First, an in-band pumping has allowed to obtain the best performances to date for a pulsed fiber laser operating beyond 3 μm. This laser operated at 3.24 μm for rates of 20 kHz to 120 kHz with a maximum power of 1.4 W and a maximum energy per pulse of 19.2 μJ. The last paper presents a laser pumped this time by an ytterbium laser system at 1064 nm. More modest performances were obtained, but a record energy per pulse for this type of pumping with 8.9 μJ was obtained at 10 kHz. The laser operated from 100 kHz to 200 kHz, the highest rates for this type of laser, but an average power limited to 207 mW. These results show that among the different pumping schemes available, in-band pumping seems to be the one producing the best performances and allow to establish guidelines for the future development of dysprosium-doped fiber lasers in order to meet the needs of applications in the field of methane detection and polymer processing.