Conception et réalisation d'une source impulsionnelle à fibre dopée Erbium-Ytterbium millijoule de grande brillance spectrale

Abstract

Travaux effectués au sein de l'ONERA/DOTA à Toulouse et Palaiseau.The goal of this PhD work is to provide a set of models helping to understand the physics of pulsed fiber lasers with high spectral brightness. Using these models, pulsed Erbium-Ytterbium fiber sources have been designed for coherent lidar applications.Pulsed source dynamics with pulse duration ranging from nanosecond to microsecond has been analyzed in the first part of this study. The influence of parasitic reflections at low repetition rate (a few kilohertz) has been demonstrated. Thermal effects in strongly pumped Erbium-Ytterbium fiber lasers have also been studied. When the signal intensity is large enough, the main non linear effect,Stimulated Brillouin Scattering (SBS) limits the extractable energy. We have developed in the secondpart of this work an original model which takes into account the SBS dynamics in a fiber amplifier.The guided propagation of the acoustic waves was included. A proper modeling of longitudinal acoustic waves was proposed. In order to increase the SBS threshold, fibers with a larger core can be used. These fibers guide a few modes. A trade off between spatial beam quality and peak power has to be found. Using our modeling, we have designed a pulsed fiber sourcesL'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles pour comprendre la physique des sources lasers à fibres de grande luminance spectrale. En les utilisant, des sources laser impulsionnelles à fibres dopées Erbium-Ytterbium ont été réalisées pour les applications lidar à détection cohérente.La dynamique des sources impulsionnelles générant des impulsions nanosecondes à microsecondes a été analysée dans la première partie de cette étude. L'influence des réflexions parasites aux faibles taux de répétition (quelques kilohertz) a notamment été mise en évidence. Les effets thermiques dans les lasers Erbium-Ytterbium à forte puissance de pompe ont également été étudiés. Lorsque l'intensité transportée devient suffisamment importante, l'effet non-linéairedominant, la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) limite la puissance extractible des amplificateurs.Nous avons donc développé dans un deuxième temps un modèle original qui rend compte de la dynamique de la DBS dans les amplificateurs dopés. Le caractère guidé des ondes acoustiques qui interviennent a été pris en compte. Un modèle satisfaisant des modes longitudinaux acoustiques a été introduit. Afin d'élever le seuil de la DBS, des fibres amplificatrices faiblement multimodes peuvent être utilisées. Un compromis entre qualité spatiale et puissance crête transportable doit alors êtretrouvé. Grâce à nos modèles, nous avons conçu une source impulsionnelle multi-étages qui a permisd'atteindre 650 µJ pour des impulsions de l'ordre de la microseconde avec une qualité de faisceau caractérisée par un M2~2