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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Optique

Par

Amélie CABASSE

Soutenue le 29 septembre 2010

Etude et développement d’une nouvelle génération d’absorbants saturables pour les lasers à fibre à impulsions ultra-courtes et énergétiques
Jury

Rapporteurs
Brigitte Attal-Trétout , Directeur de Recherche CNRS, Onera, Palaiseau
Jean-Louis Oudar, Directeur de Recherche CNRS, LPN, Marcoussis

Examinateurs
Philippe Grelu, Professeur, Université de Dijon
Philippe Roy, Chargé de Recherche CNRS, XLIM, Limoges
Nicholas Traynor, Président, Azur Light Systems, Talence

Directeurs de thèse
Gérard Gréhan, Directeur de Recherche CNRS, CORIA, Rouen
Gilles Martel, Maitre de conférences, Université de Rouen

Résumé
Les travaux exposés dans ce mémoire sont consacrés à l’étude et au développement d’une nouvelle génération d’absorbants saturables (AS) pour les lasers à fibre impulsionnels à 1,55 µm. Les impulsions ultra-courtes sont générées par verrouillage de modes passif grâce à l’emploi de deux types d’AS : à base de puits quantiques (SESAM) ou à base de nanotubes de carbone (SAINT). Différentes cavités ont été conçues en fonction de la dispersion totale de la cavité afin d’optimiser les performances de l’oscillateur. Grâce à l’emploi de SESAM et en régime de dispersion fortement normale, une puissance moyenne approchant la centaine de milliwatts a été mesurée à une cadence de 33,8 MHz, ce qui correspond à une énergie par impulsion de 2,6 nJ. Les impulsions ont été comprimées extra-cavité jusqu’à une durée de 400 fs. Ce régime constitue un record en terme de puissance moyenne extraite d’un oscillateur à impulsions fortement étirées intra-cavité (CPO : Chirped Pulse Oscillator) à 1,55 µm utilisant un SESAM. Les SAINT ont permis de déclencher des régimes impulsionnels avec des puissances moyennes et énergies nettement inférieures à celles obtenues avec les SESAMs (12 mW, 0,6 nJ). Toutefois, en régime de dispersion purement anormale, un spectre de plus de 30 nm a été obtenu, ce qui laisse envisager la possibilité de comprimer ces impulsions jusqu’à une durée d’environ 200 fs et démontre l’intérêt d’utiliser des AS en cavité anti-résonnante. Les caractérisations optiques des différents AS ont permis de mettre en évidence la très faible profondeur de modulation des SAINT par rapport aux SESAM, due à leur structure non-linéaire ultra-rapide (< 300 fs). La réalisation de SAINT à partir de nanotubes de carbone triés au préalable a permis de démontrer que la raison est inhérente au contact entre les tubes et non pas liée à la présence simultanée de phases métalliques et semi-conductrices.

Mots-clés : Laser à fibre dopée erbium - Impulsions ultra-courtes - Verrouillage de modes - Absorbant saturable - Puits quantiques - Nanotubes de carbone

Abstract :
Study and development of a new generation of saturable absorbers for ultrashort energetic pulses fiber lasers.
This work deals with the study and the development of a new generation of saturable absorbers (SA) for ultrashort pulses erbium-doped fiber lasers. Passively mode-locking is achieved using different SA : based on multiple quantum wells (SESAM) or based on carbon nanotubes (SAINT). Different laser cavities are studied versus total cavity dispersion to optimize oscillator performances. With SESAM and in a strong normal dispersion regime, more than 100 mW of average power at 33.8 MHz repetition rate has been measured corresponding to a pulse energy of 2.6 nJ. These pulses are extra-cavity dechirped down to 400 fs. This regime is to our knowledge the highest average power extracted from a Chirped Pulse Oscillator (CPO) at 1.55 µm using a SESAM. Using SAINT, mode-locking regime has been achieved but the extracted average power and pulse energy are clearly lower compared with SESAM (12 mW, 0.6 nJ). However, in a purely anomalous dispersion regime, a pulse spectrum of more than 30 nm is obtained. A dechirped pulse duration of less than 200 fs could be considered. This result demonstrates the great interest to use antiresonant SA mirror. Optical characterization of different SA highlights the too fast recovery time of SAINT (< 300 fs) leading to a too weak modulation depth. Fabrication of SAINT with initially sorted carbon nanotubes shows that their efficiency depends on the contact between tubes but is not inherent to the presence of semiconductor and metallic phases.

Keywords : Erbium-doped fiber laser - Ultrashort pulses - Mode-locking - Saturable absorber - Quantum wells - Carbon nanotubes

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