Amplificateur à fibre multicoeur en régime femtoseconde et contrôle de front d’onde – MultiFemto

Les lasers ultrabrefs émettant des impulsions de quelques centaines de femtosecondes énergétiques ont récemment été l'objet d'un intéret croissant, à la fois dans le monde scientifique et dans le domaine industriel. Cet intérêt est du aux récents progrès technologiques qui ont permis de nombreuses applications, notamment comme sources de rayonnement secondaire (par exemple EUV en utilisant le phénomène de génération d'harmoniques d'ordre élevé), dans le micro-usinage, dans l'industrie des semi-conducteurs pour la réparation de masques, etc. Presque toutes ces applications nécessitent une énergie par impulsion élevée, associée à un grand taux de répétition pour devenir vraiment efficaces. Ceci peut être résumé par le besoin de sources lasers émettant à la fois une grande puissance moyenne et une grande puissance crête dans un faisceau limité par diffraction.

La puissance crête générée par un système laser est principalement liée à la largueur de gain, l'importance des effets non linéaires, les seuils de dommage, et la fluence de saturation des amplificateurs optiques. Ces éléments sont interdépendants. D'un autre coté, la puissance moyenne des systèmes lasers est limité par des effets physiques assez différents : la disponibilité de puissance de pompe suffisante, l'efficacité énergétique, les propriétés thermiques. En particulier, le rapport entre surface et volume du milieu amplificateur est très important.

Ces deux contraintes différentes n'ont pu jusqu'à maintenant être satisfaites que séparément, par les systèmes Ti:Sa pour la puissance crête, et par les lasers à fibre pour la puissance moyenne. Ces derniers possèdent également l'avantage d'être robustes, intégrables et compacts. Afin de dépasser les limites en énergie des amplificateurs à fibre, deux voies principales ont jusqu'à maintenant été explorées : la mise au point de fibres à très large aire modale,d'une part, et la combinaison cohérente de plusieurs amplificateurs à fibre d'autre part.

Ce projet de recherche se situe à l'intersection de ces deux voies : l'idée principale consiste à utiliser une fibre multicoeur pour amplifier des impulsions femtoseconde. Ces fibres multicoeurs peuvent être vues comme des fibres à très grande aire effective, puisque le nombre de coeurs peut être arbitrairement augmenté pour éviter les effets non linéaires et dépasser les limites actuelles en terme d'énergie par impulsion. Toutefois, l'utilisation de ces fibres va nécessiter un contrôle de la phase optique des faisceaux issus de chaque cœur pour obtenir un faisceau limité par la diffraction, ce qui est similaire à la problématique de la combinaison cohérente. L'avantage majeurs par rapport à ces derniers systèmes est que la structure multicoeur est intégrée et monolithique, ce qui permet de simplifier le système et de profiter de fluctuations de phase très réduites.

Le projet MultiFemto répondra à tous les aspects scientifiques et techniques associés à l'architecture d'amplification d'impulsions femtoseconde dans une fibre multicoeur. Ces aspects concernent la mise au point, fabrication et caractérisation des fibres multicoeurs amplificatrices, l'étude de la propagation des impulsions femtoseconde dans ces structures complexes, l'étude du système optique de combinaison cohérente adapté à des impulsions de large bande spectrale, et la mise au point d'un démonstrateur final associant toutes ces briques élémentaires. Finalement, puisque dans un tel système d'amplification, la phase spectrale est manipulée par le système étireur / compresseur, et que la phase spatiale est manipulée par le système de combinaison cohérente, ce projet représente un pas en avant dans la maîtrise et la compréhension des aspects spatio-temporels des faisceaux femtoseconde.