Sources lasers ultrabrèves à 2µm de forte puissance et à fibre optique – UBRIS2

UBRIS2 vise à développer des architectures innovantes de lasers ultrabrefs de forte puissance à la longueur d’onde non conventionnelle de 2 µm. Ce projet réunit des chercheurs et des ingénieurs de quatre laboratoires : XLIM, le CORIA, le LPN et l’IRCICA, spécialisés dans l’élaboration de fibres optiques spéciales, d’absorbants saturables rapides (SESAM) et de lasers à fibres de puissance. De plus, les systèmes développés dans le projet seront intégrés et fiabilisés à NOVAE, une jeune entreprise de la Région Limousin, en vue de leur commercialisation.
La mise au point de ces lasers inédits repose sur deux voies parallèles. La première voie inclut le développement d’un oscillateur à forte dérive de fréquence, breveté par le CORIA et XLIM. L’oscillateur, pour fonctionner dans ce régime, repose sur la mise au point de fibres actives présentant une très forte dispersion normale à 2 µm et sur le développement d’absorbants saturables supportant de hautes fluences. Le premier élément prendra la forme d’une fibre légèrement multimode, dopée au thulium, fonctionnalisée par ingénierie du profil d’indice afin d’amplifier sélectivement un seul mode d’ordre élevé à forte dispersion normale. Cette nouvelle famille de fibres sera conçue à XLIM et fabriquée à l’IRCICA. Le second élément consistera en un SESAM basé sur la technologie InP, un matériau innovant pour cette fonction, ou sur l’exploitation des propriétés inédites du graphène, un absorbant saturable rapide achromatique. L’association d’un seul composant fibré, gérant à la fois la non-linéarité optique Kerr, le gain et la dispersion, et d’un tel SESAM permet théoriquement d’atteindre des énergies de plusieurs microJoules à 2 µm, ce qui constituerait un record d’énergie pour un oscillateur seul. Pour aller plus loin, les impulsions très longues de cet oscillateur laser seront amplifiées dans des fibres microstructurées « tout-solide » dopées au Tm et à très grande surface modale en cours de développement à XLIM par la voie « sol-gel ».
La seconde voie consiste à utiliser le même type de fibres innovantes dans un amplificateur parabolique. Jusqu’à présent, la montée en énergie dans ces amplificateurs s’est heurtée à l’absence de fibres appropriées. Nos calculs préliminaires, fondés sur les performances que nous avons déjà démontrées dans des fibres passives, montrent qu’atteindre la barrière des 100 microJoules devient possible grâce à la gestion simultanée de ces trois paramètres clés, dans une seule fibre légèrement multimode.
Nos deux approches ajoutent de la flexibilité dans la conception de lasers ultrabrefs en localisant dans le même composant la gestion de ces trois paramètres essentiels qui dictent très largement la dynamique des impulsions ultracourtes dans ces systèmes fortement dissipatifs. Ce projet apportera ainsi une meilleure connaissance de la mise en forme d’impulsions dans des lasers intégrant de forts effets de guidage.
Nos concepts sont aussi très flexibles en termes de performances lasers, puisque tous les paramètres de l’impulsion peuvent varier, à la conception des fibres, de plusieurs ordres de grandeur. Ceci permet d’envisager la multiplication des applications de ces lasers 2 µm qui restent pour l’instant, en raison de leur rareté, peu nombreuses. Par exemple, ces lasers de puissance peuvent être utilisés pour le traitement de matériaux polymères.
Dans la pratique, très peu de travaux font état de fibres légèrement multimodes actives, et toujours dans le contexte des télécommunications. Nos propositions innovantes dans un contexte différent et porteur recèlent donc un fort potentiel inventif. Ces propositions feront donc systématiquement l’objet d’une protection par voie de brevet et d’une valorisation avec des industriels français ou européens. En particulier, NOVAE, qui est en charge de l’intégration et de la fiabilisation des lasers développés dans UBRIS2, constituera un partenaire privilégié pour la valorisation industrielle de nos résultats scientifiques.