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Thèse présentée à

Normandie Université - Rouen

Spécialité Optique et laser

Par

Mincheng TANG

Soutenue le 23 juin 2017

Etude du comportement dynamique des sources laser ultra-rapides à base de fibres actives fortement dispersives
Jury

Rapporteur
M. Thibaut SYLVESTRE, Directeur de Recherche, Institut FEMTO-ST, Besançon
M. Sébastien FEVRIER, Maître de Conférences, XLIM, Université de Limoges

Examinateur
M. Jean-Louis OUDAR, Directeur de Recherche, LPN, Marcoussis
M. Laurent BIGOT, Chargé de Recherche, PhLAM, Villeneuve d’Ascq
Mme. Angela VELLA, Professeur, GPM, Université de Rouen Normandie
M. Claude ROZE, Professeur, CORIA, Université de Rouen Normandie

Directeur de thèse
M. Ammar HIDEUR Maître de Conférences, CORIA, Université de Rouen Normandie

Coencadrant de thèse
M. Thomas GODIN Maître de Conférences, CORIA, Université de Rouen Normandie

Etude du comportement dynamique des sources laser ultra-rapides à base de fibres actives fortement dispersives

Les lasers ultra-rapides fibrés sont aujourd’hui incontournables dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques du fait de leur stabilité, de leur compacité et des hautes puissances disponibles. Les performances actuelles, rendues accessibles par le développement de fibres à larges aires modales et le concept d’amplification à dérive de fréquence, sont toutefois complexes à mettre œuvre et limitées par l’utilisation de composants massifs pour les étapes de compression et d’étirement des impulsions. Ces travaux de thèse, à la fois expérimentaux et numériques, avaient pour objectif d’explorer des régimes dynamiques originaux basés sur l’utilisation de fibres actives spécifiques combinant large aire modale et propriétés dispersives adéquates pour la génération d’impulsions ultra-courtes de haute énergie. Les études numériques ont ainsi permis de montrer que des régimes impulsionnels à haute dispersion normale pouvaient être atteints en exploitant les phénomènes de résonnance et de couplage de modes dans des fibres de Bragg ou à profil en W. L’étude de l’influence des paramètres de la cavité laser sur le mécanisme de verrouillage de modes a permis d’identifier des configurations attractives pour la montée en puissance. La mise en œuvre expérimentale de ces concepts a notamment permis le développement d’une source laser à soliton dissipatif produisant des impulsions énergétiques (38 nJ, 700 fs après compression) à des longueurs d’ondes autour de 1560 nm, record pour ce type d’oscillateur. La réalisation expérimentale de sources ultra-rapides basées sur des fibres actives spécifiques combinées au phénomène de couplage de mode ont permis d’identifier les potentialités et limitations de ces architectures originales à fortes dispersions totales pour la montée en énergie.

Mots clés : laser à fibre, laser ultra-rapide, absorbant saturable à semi-conducteur, fibre de Bragg, haute énergie.

Abstract Ultrafast fiber lasers represent today a ubiquitous technology in various industrial and research applications thanks to their inherent advantages such as compactness, stability and high power. The best performances to date, mostly relying on large mode area fibers and chirped pulse amplification, however require complex experimental developments and are limited by the use of bulk components for pulse stretching and compression. The experimental and numerical work presented in this PhD thesis aimed at exploring original dynamical regimes based on specific active fibers combining large mode area and high dispersions for the generation of high-energy ultra-short pulses. The numerical studies then showed that pulsed regimes with high normal dispersions could be reached by exploiting resonance and mode-coupling phenomena in Bragg or W-type fibers. Studying the influence of the cavity parameters on mode-locking mechanisms allowed to target attractive configurations for energy scaling. The experimental implementation of this concept allowed the development of a dissipative soliton source delivering record high-energy chirped pulses (38 nJ, 700 fs after compression) at 1560 nm. The realization of ultrafast sources based on specific active fibers combined to mode-coupling phenomena then brought the possibility to identify the potentiality and limitations of these particular architectures with high dispersions for energy scaling.

Keywords : fibre laser, ultrafast laser, semiconductor saturable absorber, Bragg fibre, high energy.

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