Les amplificateurs à impulsions chirpées (CPA), basés sur lasers ultrarapides (figure 1), sont des outils de traitement polyvalents très demandés. Ils fonctionnent souvent dans des conditions physiques extrêmes : plusieurs centaines de watts à des kilowatts de puissance moyenne dans le régime de fréquence de répétition MHz-GHz, combinés à une durée d'impulsion souvent inférieure à une picoseconde, donnent lieu à des impulsions intenses d'une puissance crête de l'ordre du MW à du GW. Les lasers à impulsions ultracourtes (USP) sont en train de devenir un élément essentiel de diverses applications. Qu'il s'agisse de processus de micro-usinage (de la microélectronique à l'industrie des écrans plats), de fonctionnalisation de surface ou même de processus physiques extrêmes, tels que la génération de térahertz ou la génération de hautes harmoniques (HHG), ces types d'applications nécessitent des impulsions de plus en plus courtes et énergiques.
On attend des lasers industriels qu'ils génèrent une impulsion sans distorsion, d'une puissance crête élevée, délivrée à la cible, pour tout régime de puissance et tout niveau d'énergie, qui soit stable dans le temps et délivrée à la demande. Bien qu'il soit possible d'utiliser des lasers à des taux de répétition et à une énergie par impulsion fixes, la plupart des applications industrielles nécessitent un réglage du taux de répétition ou l'utilisation de modes en rafale pour maximiser le débit.
Augmentation des besoins en énergie
Depuis quelque temps, la demande d'impulsions ultracourtes pour le traitement des matériaux à grande échelle et à grande vitesse ne cesse de croître. Ces applications haut de gamme exigent plus d'énergie de la part des amplificateurs, ce qui se traduit le plus souvent par une puissance crête plus élevée dans le milieu de gain et déclenche des effets non linéaires. L'auto-modulation de phase (SPM), par le biais de l'effet Kerr bien connu, est la première manifestation des effets non linéaires. Elle déforme la phase de l'impulsion, réduit sa compressibilité et diminue ainsi sa puissance crête.
Augmentation du diamètre du champ de mode (MFD)
Bien entendu, la SPM peut être réduite en diminuant l'intensité de l'impulsion par le biais de la chaîne CPA. La réduction de l'intensité de crête dans l'amplificateur en augmentant le diamètre du faisceau est un choix évident pour diminuer les effets non linéaires. Cependant, sa mise en œuvre n'est pas toujours simple, en particulier dans les fibres, où le maintien d'une propagation monomode est nécessaire. Dans les fibres à grande surface de mode, des schémas plus complexes sont nécessaires pour rester dans ce régime monomode, ce qui implique un conditionnement très spécifique et des conceptions de fibres plus coûteuses.
Facteur d'étirement plus important
Un élargissement temporel plus important contribue également à augmenter l'énergie extraite de l'amplificateur. En effet, pour une limite de puissance crête donnée, des impulsions plus longues passant par l'amplificateur tireront plus d'énergie de la chaîne d'amplification, qui est généralement limitée par l'intensité de l'impulsion plutôt que par l'énergie disponible dans le milieu de gain. Pour ce faire, il faut utiliser des CFBG plus longs ou multiples, ainsi qu'une densité de sillons plus élevée ou des compresseurs de réseaux plus volumineux.
Réglage du compresseur
Malgré la conception de l'ACP, le fonctionnement dans un régime non linéaire élevé est nécessaire pour de nombreuses applications. Comme mentionné dans l'introduction, ces lasers devront alors modifier leur taux de répétition depuis le taux de répétition fondamental de l'oscillateur jusqu'aux impulsions uniques. L'énergie disponible par impulsion varie alors considérablement, ce qui a un impact sur le déphasage non linéaire. Pour minimiser les distorsions SPM sur l'impulsion de sortie, un réglage du compresseur est la pratique habituelle des fabricants. Bien qu'ils puissent permettre des changements significatifs dans la dispersion du deuxième ordre, les compresseurs n'offrent qu'une plage de réglage très limitée pour la dispersion du troisième ordre. Cependant, la SPM n'est pas limitée à une simple dispersion d'ordre 2 et 3, car elle dépend de la forme de l'amplitude spectrale de l'impulsion. Le contenu spectral est affecté par la forme du gain de l'amplificateur et le filtrage de l'amplitude des différents composants du système.
Réseaux de Bragg à fibres chirpées (CFBG) : Une technologie récente mais mature
Les CFBG accordables (figure 2) offrent cinq degrés de liberté dans l'accord de la dispersion - jusqu'au5e ordre de dispersion - tout en étirant l'impulsion à plusieurs centaines de picosecondes. Cela en fait une solution attrayante pour le shapping d'impulsions à haute énergie et polyvalent dans les lasers ultrarapides industriels lasers ultrarapides. Tout en réduisant l'intensité de crête à travers la chaîne d'amplification, l'étirement d'impulsion du réseau de Bragg à fibre chirpée accordable permet de minimiser les effets SPM préjudiciables.
Les CFBG accordables profitent à tous les types d'amplificateurs, de fibres et d'éléments solides. Les lasers ultrarapides équipés de CFBG accordables sont capables de fonctionner à différents taux de répétition, et donc à différentes énergies et niveaux d'auto-modulation de phase, sans aucun réglage du compresseur.
Étude de l'impact de l'auto-modulation de phase sur différents profils spectraux d'impulsion
L'impact de l'effet non linéaire dépend de la forme spectrale de l'impulsion. Les résultats de simulation suivants montrent le comportement d'une impulsion gaussienne et d'une impulsion parabolique (figure 3) subissant différents niveaux de déphasage non linéaire avec une intégrale B allant de 0 à 15 radians.
En utilisant un modèle simple pour estimer l'impact de la phase accumulée par la SPM, les figures 4 et 5 montrent, respectivement, comment la forme temporelle et le retard de groupe spectral sont déformés par la SPM jusqu'à une intégrale B de 15 rad. Il est évident que les deux types d'impulsions se comportent très différemment sous les effets non linéaires.
Heureusement, il est possible de modeler les impulsions laser à l'aide de CFBG accordables. La technologie CFBG est déjà un étalon-or utilisé pour l'étirement des impulsions, étant le premier élément de l'architecture CPA. Sans l'ajout d'aucun composant, les CFBG accordables sont utilisés comme un étireur d'impulsion et un bouton de réglage fin efficace qui peut compenser avec précision la variation du temps de propagation de groupe associée à la SPM. La figure 6 ci-dessous présente les degrés de liberté possibles et l'interface de laboratoire correspondante. Une série de commandes issues d'un protocole I2C peut également être utilisée pour la communication directe avec la machine.
La correction appliquée au retard de groupe pour les deux exemples est illustrée à la figure 7, tandis que la figure 8 montre les impulsions comprimées corrigées correspondantes. Les CFBG disponibles dans le commerce permettent d'adapter la fonction de retard de groupe ; la correction est efficace jusqu'au 5e ordre de dispersion, ce qui permet d'obtenir des impulsions de haute qualité. La figure 8 compare également la compensation du SPM par le compresseur et le CFBG accordable. Les limites de la compensation du SPM par le compresseur sont facilement perceptibles, en particulier pour l'impulsion gaussienne.
Conclusion
En résumé, il existe plusieurs façons de compenser les limitations de la compression d'impulsion causées par l'auto-modulation de phase. L'augmentation du diamètre du champ de mode permet de réduire le niveau de modulation de phase automatique, mais elle peut également avoir un impact sur la qualité du faisceau et la stabilité du pointage du faisceau. Cette approche est généralement plus coûteuse et nécessite un routage plus complexe des fibres pour maintenir la propagation monomode. En outre, l'optimisation du compresseur de réseau n'est pas suffisamment efficace pour compenser les effets non linéaires pour la plupart des formes d'impulsions, car les ordres élevés de dispersion restent inchangés après l'optimisation.
Les CFBG accordables offrent une solution précise et simple pour compenser correctement la SPM et son impact sur la dégradation de l'impulsion. Le décalage SPM est possible jusqu'à bien plus de 10 rad de phase non linéaire accumulée, ce qui garantit une compression correcte de l'impulsion dans toute la gamme d'énergie extraite de la chaîne d'amplification.
Soutien et ressources
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