Comment gérer l'auto-modulation de phase dans les lasers à impulsions brèves
Le 22 juil. 2021
Catégorie : Lasers à impulsions brèves
Les lasers à impulsions brèves utilisant une architecture CPA (Fig. 1) sont au cœur d’une grande variété d’outils polyvalents très en demande, notamment pour le traitement fin des matériaux. Ils fonctionnent souvent dans des conditions physiques extrêmes : plusieurs centaines de Watts à kilowatts de puissance moyenne, taux de répétition de centaines de MHz et même GHz, combinés à des durées d'impulsion souvent inférieures à la picoseconde. Il en résulte des impulsions intenses de puissance de crête de l’ordre du MW et même du GW. Les lasers à impulsions brèves (USP) deviennent de plus en plus essentiels dans diverses applications. Qu'il s'agisse de procédés de micro-usinage (de la microélectronique à l'industrie des écrans plats), de fonctionnalisation de surface, ou encore de procédés physiques extrêmes, comme la génération de Térahertz ou la génération d'harmoniques élevées (HHG), ces types d'applications nécessitent des impulsions de plus en plus courtes et énergétiques.
Fig. 1: Chaîne d’amplification à impulsions brèves
Les lasers industriels doivent générer des impulsions de puissance de crête élevée sans distorsion à la sortie du système, pour tous les régimes de puissance et tous les niveaux d'énergie. Ces impulsions doivent être stable dans le temps et disponibles sur 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 rafale pour maximiser le rendement des procédés.
Augmentation des besoins en énergie
Depuis peu, on observe une demande croissante pour des systèmes à impulsions brèves adaptés au traitement des matériaux à grande échelle et à grande vitesse. Ces applications nécessitent plus d'énergie à la sortie des amplificateurs, correspondant à une puissance de crête plus élevée dans le milieu amplificateur, laquelle favorise l’apparition d’effets non linéaires. L’auto-modulation de phase (SPM), due à l'effet Kerr, constitue habituellement la première manifestation d'effets non linéaires. Le SPM perturbe la phase de l'impulsion, réduisant sa compressibilité et donc sa puissance de crête.
Augmentation du diamètre de mode (MFD)
Bien sûr, le SPM peut être réduit en diminuant l'intensité des impulsions à travers la chaîne CPA. Abaisser l'intensité de crête dans l'amplificateur en augmentant le diamètre du faisceau apparaît comme un choix évident pour accroître le seuil des effets non linéaires. Cependant, la mise en œuvre de cette solution pose des défis, notamment dans les configurations fibrées, où le maintien d'une propagation monomode est souhaité. Dans les fibres à large mode, l’opération en régime monomode requiert des schémas plus complexes, avec des fibres plus coûteuses et des contraintes d’intégration strictes.
Augmentation du facteur d'étirement
Un élargissement temporel accru contribue également à augmenter l'énergie extraite de l'amplificateur. En effet, pour une limite de puissance de crête donnée, des impulsions plus longues permettent d’extraire plus d’énergie de la chaîne d'amplification, qui est généralement limitée par l'intensité de l'impulsion plutôt que par l'énergie extractible du milieu amplificateur. Pour ce faire, des CFBG plus longs ou multiples doivent être utilisés, avec des compresseurs plus volumineux et/ou employant des réseaux ayant une densité de rainures plus élevée.
Réglage du compresseur
Malgré les avantages du CPA, de nombreuses applications impliquent d’opérer dans un régime très non linéaire. Comme mentionné dans l'introduction, le taux de répétition doit pouvoir être réglé sur une grande plage, allant du taux de répétition fondamental de l'oscillateur jusqu'à l’émission d’impulsions uniques sur demande. En conséquence, l'énergie disponible par impulsion peut varier considérablement, ainsi que le déphasage non linéaire. Pour minimiser les distorsions par le SPM de l'impulsion de sortie, une pratique courante des fabricants consiste à effectuer un réglage du compresseur pour compenser les variations de phase. Même si des changements significatifs dans la dispersion de 2e ordre peuvent être appliqués, les compresseurs ne fournissent qu'une plage de réglage très limitée sur la dispersion de 3e ordre. Hors, le SPM n'est pas limité à une simple dispersion de 2e et 3e ordre, car il dépend de la forme du spectre de l'impulsion. Le contenu spectral est lui-même affecté par la courbe de gain de l'amplificateur et le filtrage en amplitude des divers composants du système.
Réseaux de Bragg fibrés à pas variable (CFBG) : une technologie récente mais mature
Les CFBGs accordables (Fig. 2) offrent cinq degrés de liberté pour régler la dispersion - jusqu'au 5e ordre de dispersion, tout en étirant l'impulsion à des durées de plusieurs centaines de picosecondes. Cela en fait une solution attrayante et polyvalente pour la mise en forme d’impulsions brèves hautement énergétiques dans les lasers industriels. En plus de réduire l'intensité de crête à travers la chaîne d'amplification, cette technologie d’étireur aide à compenser les effets nuisibles du SPM. Les CFBGs accordables profitent à tous les types d'amplificateurs, qu’ils soient à fibre ou à semi-conducteurs. Les lasers à impulsions brèves équipés de CFBGs accordables peuvent fonctionner à différents taux de répétition, donc à différentes énergies et différents niveaux d’automodulation de phase, sans qu’aucun réglage du compresseur ne soit requis.
Étude de l'impact de l’automodulation de phase sur différents profils spectraux d'impulsions
L'impact du SPM dépend de la forme spectrale de l'impulsion. Les résultats de simulation suivants illustrent le comportement d'une impulsion gaussienne et parabolique (Fig. 3) subissant différents niveaux de déphasage non linéaire avec une intégrale B allant de 0 à 15 radians.
Fig 3. Spectres d'impulsions d'entrée (gauche: gaussienne, droite : parabolique. Les deux ont une durée de 260 fs.)
Fig 4. Impact du SPM sur la qualité des impulsions pour une forme d'impulsion spectrale gaussienne et parabolique, à différents niveaux de SPM
Les figures 4 et 5, générées à partir d’un modèle simple permettant d’estimer l'impact de la phase accumulée dû au SPM, illustrent comment la forme temporelle (Fig.4) et le délai de groupe spectral (Fig. 5) sont déformés par le SPM pour des valeurs d’intégrale B allant de 0 à 15 rad. Il est évident que les deux types d'impulsions se comportent assez différemment en régime non linéaire.
Fig 4. Impact du SPM sur la qualité des impulsions pour une forme d'impulsion spectrale gaussienne et parabolique, à différents niveaux de SPM
Heureusement, les CFBGs accordables peuvent minimiser ces distorsions. En tant que premier élément constitutif d’une architecture CPA, la technologie CFBG se veut la référence utilisée pour l'étirement des impulsions. Sans ajout de composants, les CFBGs accordables permettent en plus de compenser de façon précise la variation de délai de groupe associée au SPM. La figure 6 présente l’interface de contrôle de type laboratoire avec les différents degrés de liberté disponibles. Une série de commandes par protocole I2C peut également être utilisée pour la communication machine directe.
Fig 6. Interface logicielle fournie à des fins de R&D ou de fabrication
La correction appliquée sur le délai de groupe pour les deux exemples précédents est représentée à la figure 7, tandis que la figure 8 montre les impulsions compressées correspondantes. Les CFBGs disponibles commercialement permettent de personnaliser la fonction de délai de groupe avec une correction efficace jusqu'au 5e ordre de dispersion, ce qui donne 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 apparaissent clairement, en particulier pour l'impulsion gaussienne.
Fig 7. Correction de délai de groupe pour compenser le SPM pour une impulsion gaussienne (gauche) et parabolique (droite)
Fig 8. Compression d'impulsions à différents niveaux SPM avec compensation par l'étireur CFBG ou ajustement du compresseur
Conclusion
En résumé, il existe plusieurs façons de pallier les limitations de la compression d'impulsion causées par l’automodulation de phase. L'augmentation du diamètre de mode aide à réduire le niveau de SPM, mais avec une possible détérioration de la qualité et de la stabilité de pointage du faisceau. Cette approche est généralement plus coûteuse et nécessite une gestion de fibre plus contraignante pour maintenir une propagation monomode. D’autre part, procéder par ajustement du compresseur à réseau ne s’avère pas suffisamment efficace pour compenser les effets non linéaires avec la plupart des formes d'impulsions, à cause du manque de contrôle des ordres de dispersion élevés.
Les CFBGs accordables offrent une solution simple et précise pour compenser correctement le SPM et minimiser la dégradation des impulsions. La correction du SPM est possible pour une accumulation de phase non linéaire pouvant dépasser 10 rad, assurant une bonne compression d'impulsion sur l’ensemble de la plage d'énergie extractible de la chaîne d'amplification.
Soutien et Ressources
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