Les systèmes laser en fibre optique de verre fluoré se sont placés en tête de file pour la génération de lumière cohérente dans l’infrarouge moyen, de 2 à 5 μm. En particulier, les lasers à fibre opérant à 3 μm ont attiré une attention considérable puisqu’ils permettent le développement d’applications en spectroscopie, en contre-mesure militaire et en médecine. De ce fait, ces lasers ont connu des progrès considérables en termes de puissance, de qualité de faisceau, de fiabilité et de compacité dans la dernière décennie. Cette thèse s’inscrit dans cette démarche d’accroissement des performances des lasers à fibre infrarouges opérant à 3 μm. Ainsi, elle présente différents systèmes laser en fibre de verre fluoré et détaille les composants tout-fibre qui ont permis d’atteindre des records d’efficacité énergétique, de puissance et d’énergie par impulsion.Trois types de sources laser, chacune ayant établi un record de performance, ont été investiguées. Tout d’abord, une efficacité laser record de 50% a été obtenue à partir d’un laser à fibre opérant à 2.8 μm en utilisant le principe de cascade laser à 2.8 et 1.6 μm. Ensuite, un amplificateur à fibre, basé sur des fibres dopées à l’ion erbium et aux ions holmium et praséodyme, a permis d’amplifier des impulsions picosecondes à 3 μm d’une source laser à l’état solide pour obtenir une énergie par impulsion (122 μJ) et une puissance moyenne (2.45 W) records. Finalement, une cavité laser tout-fibre dopée à l’ion erbium opérant autour de 3 μm, dépourvue d’épissures fusionnées, a mené à la démonstration d’une puissance laser recordde 41.6 W. D’autre part, cette thèse a ciblé différents obstacles limitant l’accroissement de la puissance des lasers à fibre opérant à 3 μm, et a permis d’identifier des pistes de solutions pour pallier ces limitations. En l’occurrence, la photodégradation de l’extrémité de sortie des lasers à fibre à 3 μm, causée par la diffusion de la vapeur d’eau ambiante, limite la durée de vie et la puissance maximale de ce type de laser. Ainsi, le dernier volet de cette thèse a été consacré à l’étude expérimentale de la photodégradation d’embouts de protection à base de verre fluoré ou d’oxyde. Cette étude a mené au développement d’une nouvelle méthode permettant d’inhiber la diffusion de la vapeur d’eau dans les embouts de protection. Cette thèse représente une avancée majeure dans le contexte de l’accroissement de la puissance des sources laser en fibre optique opérant à 3 μm et démontre leur potentiel indéniable pour remplacer d’autres types de lasers dans une multitude d’applications. / Fluoride fiber laser technology is one of the noteworthy tools for generating coherent mid-infrared signal between 2 to 5 μm that has made outstanding progress over the last decade interms of compactness, reliability, high beam quality, and output power. In the mid-infrared spectral region, laser emission near 3 μm is crucial for many applications such as spectroscopy, counter measures and medicine. In addition, there has always been an increasing demand for higher laser output parameters to open new doors for potential applications.This dissertation presents a series of experimental studies of fluoride fiber laser systems, either in continuous wave or pulsed regime, and of their critical in-fiber components to achieve a laser emission with high slope efficiency, output power, and pulse energy near 3 μm. During this PhD project, three main 3 μm-class fluoride fiber laser sources, each representing at least one record output parameter in their own category, have been investigated. First, the highest optical-to-optical efficiency (50%) at 2.8 μm was achieved from a diode-pumped fiber laser cavity by cascaded transitions of 2.8 μm and 1.6 μm in a low-doped erbium fluoride fiber. Then, active media based on erbium and holmium/praseodymium zirconium fluoride fibers seeded by a sub-ns solid-state laser enabled to achieve highest pulse energy (122μJ)and average power (2.45 W) from a picosecond fiber laser amplifier operating near 3 μm. Lastly, the highest average power 3 μm-class laser (41.6 W) has been demonstrated by using asplice-less heavily erbium-doped fluoride fiber medium. The major problems during the high-power laser operation have been investigated and potential solutions were proposed. The most common problem of all the high-power 3 μm fiber laser demonstrations is the degradation of the fiber tips due to OH migration, which limits the output power and can lead to catastrophic failures. Therefore, in the last part of the PhD project, the performance of fluoride- and oxide-based endcap components under high-power 3 μm laser emission has been experimentally investigated and a novel endcapping method was proposed for suppressing the OH migration. Experimental studies in this PhD project represents a significant advance for further power scaling of 3 μm fluoride fiber laser sources and shows their potential to replace other laser technologies.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/37620 |
| Date | 19 December 2019 |
| Creators | Aydin, Yiğit Ozan |
| Contributors | Vallée, Réal, Bernier, Martin |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 118 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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