thales research & technology - institut d'optique elsa remise en forme de faisceau après...
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THALES Research & Technology - Institut d'Optique ELSA
Remise en forme de faisceau après un amplificateur à fibre multimode
L. Lombard, A. Brignon, J.P. Huignard, E. LallierTRT (Thales Research and Technology)
G. Lucas-Leclin, P. Georges, G. Pauliat, G. RoosenLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique
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AMPLI A FIBRE
Pompe
Signal
Fibre
Pourquoi une fibre pour les lasers de puissance?
Bon rendement Optique-Optique (bon recouvrement pompe et signal)
Pas de problème thermique (ils sont répartis sur la longueur)
Très hautes puissances accessibles (dans les fibres à grand cœur)
Technologie performante: double cœurdopage Ybdisponibilité des diodes de pompe haute puissance
MOPAPompe
Fibre
Laser à fibre
Cœur signal dopé
Cœur pompe non dopé
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Puissance : Augmenter la taille du cœur!
Fibres LMA (Large Mode Area) quasi monomodes:
• Cœur 20µm / ON 0.06• Cœur 30µm / ON 0.06
Air-clad LMA (Tunnermann)
400µm
55µm
Signal core
Pump core
Fibres Multimodes: • Cœur 55µm / ON 0.2 (M²=10)
Fibres Multicœurs, mise en phase spontanée
Multi-Fibres!
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Multimode Fiber Amplifier
Amplifier characteristics:Input
Pump : 60W @ 940 nmSignal : 0.5W @ 1064 nm
OutputAmplified Signal : ~ 18 W, highly MultiMode (M² ~ 10)
400µm
55µm
Signal core
Pump core
Pump
Oscillator
MMFA MM
Fiber characteristics: Signal Core
Diameter 55 µm, NA 0.19 Doping 6500 ppm (mol) Yb2O3
Pump Core Diameter 340x400 µm, NA 0.39 D-shape for pumping efficiency
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Recovering Beam Quality
How to recover the beam quality of a Multimode Fiber Amplifier ?2 approaches :
Pump
Oscillator
MMFA SM
SM
MM
MMFA Pump
Oscillator
MM
SM
SM
Beam Cleanup
Phase Conjugation
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How to recover Beam Quality ?
1. Beam cleanup (two wave mixing in a photorefractive crystal)
Pump
Oscillator
MMFA
SingleMode
SingleMode
MultiMode
Rh:BaTiO3
Photorefractive crystal
S
R
Ampl. R
• R and S interfere in the crystal and write
a /2-shifted volume hologram.
• S energy (not its phase) is transferred to R
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• 2 W M :
• Coupled wave equations :
• Rh:BaTiO3 : = 1.06 µm, large > 20 cm-1, low absorption = 0.1 cm-1
121
211 IIIII
dzdI
2
21
212 IIIII
dzdI
)0()( 11 d )0()( 22 d
])exp[()exp(
)(21
212 d
dII
IIdI
Reference
Aberratedsignal
Amplifiedclean beam
PR crystal
2
Phororefractive Beam Cleanup
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Rh:BaTiO3 gain versus Signal / Reference power ratio
1
10
100
1000
104
0.1 1 10 100 1000 104 105
Signal / Reference power ratio
Gai
n (
2W
M)
Rh:BaTiO3 crystal
12.2 x 9.5 x 3.1 mm(W x H x D)
cut at 45° from the crystal c-axis (to access large photorefractive gains)
“roof shape” design to prevent any parasitic oscillation
Rh:BaTiO3 : an infrared sensitive (1.06 µm) photorefractive crystal
Maximum gain : 2000 (= exp[()L])Photorefractive gain : 24.6 cm-1 (= )
absorption : 0.1 cm-1 (= )
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Experimental Setup 1
/2
MMFAYb-doped
0.6 m
Rh:BaTiO3
Reference beam
Laser diode@ 920 nm
Nd:YAG laser@ 1064 nm
Residualpump
Camera
PZT
Phasestabilization
R
S
Output
Signal beam
Verticalpolarization
0 20 40 60 80 100 120 140 160-10
0
10
20
30
40
50
Measured dephasingbetween R and S
time (s)
phas
e (r
ad)
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
0.5
1
1.5
2
time (s)
pow
er (
Ar.
Un.
)
FEEDBACK ON
FEEDBACK ON
Output Power
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Self referencing Two Wave Mixing Setup
/2
MMFAYb-doped
4 m
Rh:BaTiO3
MM
Laser diode@ 940 nm
Nd:YAG laser@ 1064 nm
R
S
Output
SM
Vertical polarization
PBS DotMirror
Horizontal polarization
Unpolarized beam
SF
MM
Polarization recycling Self referencing Two Wave Mixing
Polarization recycling: Insensitive to MM Fiber Amplifier depolarization
Building Reference beam(Dot mirror + Spatial filter)
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Building Reference beam: Dot mirror and spatial filter
MM
DM
SF
Building Reference beam(Dot mirror + Spatial filter)
MM
SM
To spatial filter to make it SM
Reference(almost SM)
Signal Aberrated(MM)
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Experimental results : Power
S = 8.3 WS// = 6.6 W(Total 15W)
R = 110 mW(SM)
(SM)Ampl. R = 11.6 W
2.7 W • Crystal efficiency = 78%
• Total Conversion efficiency = 63%
Output Power vs time
Time (s)
Rise time : 2-3s
S S// S+ S//
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0
2
4
6
8
10
12
Ou
tpu
t p
ow
er (
W)
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Experimental results : Beam Quality
Reference
20 40 60 80 100 1200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
axial position (mm)
be
am
siz
e (
mm
)
Amplified Reference
SignalsS and S//
M² = 7.4Depolarized
M² = 1.2Linearly Polarized
M² = 1.0Linearly polarized
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Power handling capability of Rh:BaTiO3
Rh:BaTiO3 Crystal depoling
Depoling effect appears after several 100 hours of use. It reduces the conversion efficiency.
The effect is temporary suppressed by illumination for several hours with 200mW, 532nm laser
High power handling Low-absorption crystals: photorefractive crystals with
low absorption are more indicated. Co:BaTiO3 crystal is promising.
Large aperture crystals
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• Presentation d’un nouveau concept et validation experimentale à 15W :
Un oscillateur monomode est amplifié dans une fibre multimode.
La qualité de faisceau est ramenée à la limite de diffraction par un Convertisseur Spatial de faisceau photorefractif
entrée: faisceau dépolarisé multimode cohérent sortie: faisceau monomode linéairement polarisé
CONCLUSION
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Recovering Beam Quality
How to recover the beam quality of a Multimode Fiber Amplifier ?2 approaches :
Pump
Oscillator
MMFA SM
SM
MM
MMFA Pump
Oscillator
MM
SM
SM
Beam Cleanup
Phase Conjugation
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How to recover Beam Quality ?
2. Conjugaison de phase
MMFA Pump
Oscillator
MM
SM
SM
Miroir à conjugaison de phase
Miroirconventionnel
Miroir à conjugaison de
phase
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Manip actuelle
Conjugaison de phase par effet Brillouin
fibre multimodedopée
3m
Pump
Oscillator
MM
SM
SM
Fibre multimodenon dopée
1km
Miroir à conjugaison de phase par effet Brillouin
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Effet Brillouin dans une fibre monomode
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
puissance en entrée (W)
Pui
ssan
ce r
efle
chie
(ua
) et
Ref
lect
ivité
du
MC
P
fibre 13.6km, 8µm diametre@1.06µm
Puissance reflechie
reflectivité
seuil
fibre monomode13.6 km
Diode lasermonofréquence
Onde acoustique(réseau de Bragg)
Onde pompe
Onde Stokes(réfléchie sur le réseau)
Diffusion Brillouin Stimulée
(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)
Photon bruit
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SBS comme Miroir à conjugaison de phase
Milieux non guidants
Nécessite des kW crête!
Onde pompe
Onde Stokes
Onde acoustique
« cellule SBS » (CS2)
Bruit
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SBS comme Miroir à conjugaison de phase
Démarre sur du bruit…
Onde pompe
Onde Stokes
Onde acoustique
« cellule SBS» (CS 2)
Onde incidente
Onde conjuguée en phase
Bruit !
Mais sort conjugué en phase!
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SBS comme Miroir à conjugaison de phase
Cellule BrillouinChamp de bruit
Specklevolumique
Gain localStokes
Gain globalStokes
Puissances globales Pompe, Stokes
Pour une aberration gausienne, l’intensité du Speckle volumique s’écrit
Speckle Stokes aléatoire
C=1non conjugué en phase
Speckle Stokes superposé au Speckle Pompe
C=2; doublement du gainconjugué en phase
NonCP
CP
Lsurf
gPp
eL
surf
gPp
e2
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SBS dans une fibre multimode!
« modes » de la fibre
n1
n2
mode 0 (LP 01)
mode 1 (LP 02)
mode 2 (LP 03)
Fibre Multimode
Longueur 1kmCœur à saut d’indice
Diamètre 50µm, ON 0.22
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Schéma idéal
Conjugaison de phase par effet Brillouin
fibre multimodedopée
3m
Pump
Oscillator
MM
SM
SM
Fibre multimodenon dopée
1km
Miroir à conjugaison de phase par effet Brillouin
« cellule SBS» (CS2)
kW crête!
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3. T
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6.0
.0
Phase conjugation by SBS : preliminary experiment
Lasermultimode
fiber0.07 m
pulsed laser20ns, 50Hz,
single-frequency Brillouin
(depolarized)
Multimodefiber
0.46 m
With aspherical mirror
M²=3.6
(polarized)
(polarized)
With aphase-conjugating
mirror(0.46m fiber)
M²=1.1
Brillouin Stokes Signal power
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Input Energy (m J)
Ref
lect
ed E
ner
gy
(mJ)
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6.0
.0
Simulation dans une fibre multimode à Saut d’indice
Fibre multimode SIlong. 0.5 m, diamètre 14µm, ON 0.22
Pompe(entrée)
Stokes(retour)
1mm
entrée 0.2m
0.5m
Fidélité de la CP 90%.
Pompe Stokes
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.0
Pour une fibre un peu plus longue…
Pompe(entrée)
Stokes(retour)
1mm
entrée 0.2m 0.5m1m 2m 5m
Pompe StokesFibre multimode SI
long. 2 m, diamètre 14µm, ON 0.22
Fidélité de la CP 20%.
Aberrations chromatiques pour les fibres SI > qq. m
Le conjugué en phase n’est plus favorisé.
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.0
• Conjugaison de phase par diffusion brillouin stimulée:• Amplification exponentielle du bruit• Gain Double pour le conjugué en phase (<=> facteur ~104)
• Contrainte sur le milieu:•Suffisamment long pour qu’il y ait sélectivité (plusieurs grains de
Speckle•Suffisamment court pour qu’il n’y ait pas aberration chromatique
(grains de Speckle décalés)
CONCLUSION
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CONCLUSION
•Solutions
•Impulsionnel ou très fortes réflectivités pour réduit la longueur d’interaction
•Utilisation d’une fibre à gradient d’indice, automatiquement corrigée des aberrations chromatiques
•Utilisation du phénomène de « Beam Cleanup » sur grande longueur de fibre: un seul mode en retour, dépend du couplage.
StokesPompe
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