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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Optique

Par

Caroline LECAPLAIN

Soutenue le 22 novembre 2010

Oscillateurs à fibre femtosecondes haute énergie
Jury

Rapporteurs
Eric Cormier, Professeur, Université de Bordeaux
Patrick Georges, Directeur de Recherche CNRS, Institut d’Optique, Orsay

Examinateurs
Sébastien Février, Maître de Conférences, Université de Limoges
Arnaud Garnache, Chargé de Recherches CNRS, Université de Montpellier
Jens Limpert, Professeur, Université de Jena
François Sanchez, Professeur, Université d’Angers

Directeur de thèse
Marc Brunel, Professeur, Université de Rouen, CORIA

Co-Directeur
Ammar Hideur, Maître de Conférences, Université de Rouen, CORIA

Résumé

L’utilisation de la technologie femtoseconde pour des applications hors laboratoire est étroitement liée à la compacité, la stabilité et la facilité d’entretien et d’alignement des sources femtosecondes. Les lasers femtosecondes à base de fibres dopées aux terres rares sont des candidats prometteurs pour répondre à ces exigences. Cependant, les effets non-linéaires engendrés par le fort confinement de la lumière sur de grandes longueurs empêchent la formation d’impulsions stables de fortes énergies. Ces travaux de thèse, largement exploratoires, avaient pour objectif de proposer des solutions pour contourner ces difficultés afin de développer des lasers à fibre stables et robustes capables de générer des impulsions ultra-courtes de fortes énergies dans le proche infrarouge. Notre approche, numérique et expérimentale, est basée sur l’exploitation des propriétés des fibres à cristaux photoniques à large mode et à l’exploration de nouveaux mécanismes de formation et de propagation d’impulsions ultra-courtes dans les oscillateurs à fibre à dispersion normale.
L’étude numérique montre que les performances de ces sources sont fortement liées aux paramètres du mécanisme de verrouillage de modes et aux caractéristiques du milieu à gain. Notre étude montre que le régime impulsionnel nécessite un fort mécanisme pour démarrer et stabiliser aux fortes énergies et met également en évidence l’importance de la dispersion totale de la cavité, de la phase non linéaire accumulée et du filtrage spectral. La mise en oeuvre expérimentale de ces configurations laser a permis de démontrer plusieurs résultats originaux avec la production d’impulsions à la fois énergétiques (de 10 à 710 nJ), ultra-courtes (de 125 à 600 fs) et très stables à des longueurs d’onde autour de 1030 nm. Ces résultats montrent que les lasers à fibre à large coeur sont maintenant à la hauteur des meilleurs lasers à solides et les potentialités de montée en énergie au-delà de plusieurs microjoules sont à la portée de ces systèmes.

Mots clés : Fibre microstructurée, ions Yb, impulsion brève, laser à dispersion totalement normale, haute énergie, absorbant saturable à semi-conducteur.

Abstract

Applications of ultrafast laser technology outside a laboratory environment rely on compact, stable, maintenance- and alignment-free femtosecond pulse sources. Ultrashort pulse generation in rare-earth-doped fibers is considered to be the most promising approach to fulfill these requirements. However, due to the tight confinement of the light over considerably long lengths, nonlinear effects avoid stable pulse generation at high energies. These thesis works aimed to propose solutions to overcome these difficulties in order to develop stable and reliable fiber laser able to generate high-energy ultrashort pulses in the near infrared. Our numerical and experimental study is based on the exploitation of the large-mode-area photonic crystal fibers properties and the exploration of new pulse shaping mechanisms and new propagation regimes of high-energy ultrashort pulses in normal dispersion fibers oscillators.
The numerical study show that laser performances are strongly related to parameters of mode-locking and properties of gain medium. Our study show that pulsed regime needs a strong nonlinear mechanism to start and stabilize at high energy levels and reveals the effect of total cavity dispersion, accumulated nonlinear phase and spectral filtering on laser performances. The experimental development of various laser configurations led to demonstrate various original results on generation of energetic (from 10 to 710nJ), ultrashort (from 125 to 600 fs) and highly stable pulses at wavelengths around 1030 nm. These results show that large-mode-area fiber lasers can compete with state-of-the-art femtosecond oscillators for the first time and pulse energy scaling beyond microjoule-level appears to be feasible.

Key words : microstructured fibers, Yb-ions, ultrashort pulse, all-normal dispersion fiber laser, high

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