Photo- et Radio-noircissement des fibres optiques en silice dopées ytterbium – PARADYSIO

Les fibres optiques en silice présentent l’inconvénient de développer, sous irradiation, des pertes optiques s’étalant de l’ultra-violet jusqu’au proche infrarouge. Cette dégradation peut résulter de deux effets distincts. Le premier effet, spécifique des fibres dopées aux terres rares, est induit par l’absorption des photons de pompe. Appelé photo-noircissement, il est devenu critique dans les lasers et amplificateurs fibrés de forte puissance. Le second effet, lié à l’action externe de rayonnements ionisants, concerne les fibres utilisées en milieu sévère. Nous parlerons alors de radio-noircissement. Le noircissement des fibres en silice affecte des domaines de pointe mettant en jeu des lasers fibrés de puissance ou un milieu radiatif : capteurs fibrés (centrales nucléaires, stockages de déchets radioactifs), lasers pour applications spatiales (communications optiques inter-satellites, OISL, et LIDAR), industrielles (marquage, découpe, soudure), ou médicales (myringotomie, chirurgie…). Les lasers à fibres présentent d’importants avantages par rapport aux lasers solides : gain économique, d’encombrement, de poids, de consommation et d’efficacité. Les problèmes de noircissement limitent pourtant leur développement technologique.
Les applications spatiales OISL et LIDAR sont les plus délicates. En combinant laser à fibre de puissance et environnement radiatif spatial (électrons, protons), elles posent la question de la coexistence des photo- et radio-noircissements (photo-radio-noircissement, PRN). De surcroît, l’environnement spatial est caractérisé par de très faibles débits de dose (10-4¬-10-2 Gy h-1). La qualification des composants destinés à l’espace doit donc s’appuyer sur des tests accélérés, supposés équivalents à l’effet d’une longue mission mais conduits à des débits bien plus élevés. Le PRN et la mise au point de protocoles de tests accélérés pour les fibres sont des problèmes de premier plan qui n’ont jamais été considérés. Ce projet leur est dédié. Nos objectifs sont la détermination rigoureuse de conditions de tests accélérés et le développement de fibres durcies vis à vis du PRN. Ce travail repose sur les fibres dopées ytterbium (FDY) qui représentent le choix technologique de base pour la conception de lasers à fibres de puissance. Les résultats concernant la compréhension des mécanismes de noircissement et leur prévention auront des retombées sur les applications médicales et industrielles.
Les travaux sur la dégradation des fibres irradiées s’appuient souvent sur des fibres commerciales. Même si leur composition est connue, l’impossibilité de tester facilement de nouvelles compositions limite largement la capacité à développer des fibres durcies. Le projet PARADYSIO offre l’opportunité, unique sur le plan académique, de rassembler des capacités de fabrication, d’irradiations, de caractérisations et de modélisation. Le projet s’appuie sur la fabrication de FDY présentant des variations systématiques dans leurs concentrations en dopants. Les mécanismes fondamentaux du PRN produits par la pompe et par exposition à des électrons et protons seront étudiés, des irradiations équivalentes aux rayons X étant aussi établies pour les expériences de routine. Les centres à l’origine du PRN seront caractérisés par des mesures d’attenuation induite, de thermoluminescence et de résonance paramagnétique électronique ; la cinétique de noircissement sera appréhendée au travers d’un dispositif pompe-sonde. Un modèle sera alors développé pour simuler le PRN et établir les conditions d’irradiation accélérée équivalentes à une mission spatiale. Un laser à fibre sera enfin construit sur la base d’un schéma MOPA (master oscillator power amplifier) pour tester la résistance de FDY au PRN suivant le protocole obtenu en régime continu et pulsé. Les simulations, la fabrication et les tests des FDY s’articuleront selon un schéma prédicteur-correcteur de façon à converger vers des compositions de fibres résistantes au PRN.