THALES Research & Technology - Institut d'Optique ELSA Remise en forme de faisceau après un amplificateur à fibre multimode L. Lombard, A. Brignon, J.P.

THALES Research & Technology - Institut d'Optique ELSA

Remise en forme de faisceau après un amplificateur à fibre multimode

L. Lombard, A. Brignon, J.P. Huignard, E. LallierTRT (Thales Research and Technology)

G. Lucas-Leclin, P. Georges, G. Pauliat, G. RoosenLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

2

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Thi

s do

cum

ent

and

any

data

incl

uded

are

the

pro

pert

y of

TH

ALE

S.

The

y ca

nnot

be

repr

oduc

ed,

disc

lose

d or

use

d w

ithou

t T

HA

LES

' prio

r w

ritte

n ap

prov

al.

©T

HA

LES

200

3. T

empl

ate

trt

co V

6.0

.0

AMPLI A FIBRE

Pompe

Signal

Fibre

Pourquoi une fibre pour les lasers de puissance?

Bon rendement Optique-Optique (bon recouvrement pompe et signal)

Pas de problème thermique (ils sont répartis sur la longueur)

Très hautes puissances accessibles (dans les fibres à grand cœur)

Technologie performante: double cœurdopage Ybdisponibilité des diodes de pompe haute puissance

MOPAPompe

Fibre

Laser à fibre

Cœur signal dopé

Cœur pompe non dopé

3

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prov

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6.0

.0

Puissance : Augmenter la taille du cœur!

Fibres LMA (Large Mode Area) quasi monomodes:

• Cœur 20µm / ON 0.06• Cœur 30µm / ON 0.06

Air-clad LMA (Tunnermann)

400µm

55µm

Signal core

Pump core

Fibres Multimodes: • Cœur 55µm / ON 0.2 (M²=10)

Fibres Multicœurs, mise en phase spontanée

Multi-Fibres!

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ed,

disc

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n ap

prov

al.

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HA

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6.0

.0

Multimode Fiber Amplifier

Amplifier characteristics:Input

Pump : 60W @ 940 nmSignal : 0.5W @ 1064 nm

OutputAmplified Signal : ~ 18 W, highly MultiMode (M² ~ 10)

400µm

55µm

Signal core

Pump core

Pump

Oscillator

MMFA MM

Fiber characteristics: Signal Core

Diameter 55 µm, NA 0.19 Doping 6500 ppm (mol) Yb2O3

Pump Core Diameter 340x400 µm, NA 0.39 D-shape for pumping efficiency

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6.0

.0

Recovering Beam Quality

How to recover the beam quality of a Multimode Fiber Amplifier ?2 approaches :

Pump

Oscillator

MMFA SM

SM

MM

MMFA Pump

Oscillator

MM

SM

SM

Beam Cleanup

Phase Conjugation

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.0

How to recover Beam Quality ?

1. Beam cleanup (two wave mixing in a photorefractive crystal)

Pump

Oscillator

MMFA

SingleMode

SingleMode

MultiMode

Rh:BaTiO3

Photorefractive crystal

S

R

Ampl. R

• R and S interfere in the crystal and write

a /2-shifted volume hologram.

• S energy (not its phase) is transferred to R

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.0

• 2 W M :

• Coupled wave equations :

• Rh:BaTiO3 : = 1.06 µm, large > 20 cm-1, low absorption = 0.1 cm-1

121

211 IIIII

dzdI

2

21

212 IIIII

dzdI

)0()( 11 d )0()( 22 d

])exp[()exp(

)(21

212 d

dII

IIdI

Reference

Aberratedsignal

Amplifiedclean beam

PR crystal

2

Phororefractive Beam Cleanup

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.0

Rh:BaTiO3 gain versus Signal / Reference power ratio

1

10

100

1000

104

0.1 1 10 100 1000 104 105

Signal / Reference power ratio

Gai

n (

2W

M)

Rh:BaTiO3 crystal

12.2 x 9.5 x 3.1 mm(W x H x D)

cut at 45° from the crystal c-axis (to access large photorefractive gains)

“roof shape” design to prevent any parasitic oscillation

Rh:BaTiO3 : an infrared sensitive (1.06 µm) photorefractive crystal

Maximum gain : 2000 (= exp[()L])Photorefractive gain : 24.6 cm-1 (= )

absorption : 0.1 cm-1 (= )

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.0

Experimental Setup 1

/2

MMFAYb-doped

0.6 m

Rh:BaTiO3

Reference beam

Laser diode@ 920 nm

Nd:YAG laser@ 1064 nm

Residualpump

Camera

PZT

Phasestabilization

R

S

Output

Signal beam

Verticalpolarization

0 20 40 60 80 100 120 140 160-10

0

10

20

30

40

50

Measured dephasingbetween R and S

time (s)

phas

e (r

ad)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

0.5

1

1.5

2

time (s)

pow

er (

Ar.

Un.

)

FEEDBACK ON

FEEDBACK ON

Output Power

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.0

Self referencing Two Wave Mixing Setup

/2

MMFAYb-doped

4 m

Rh:BaTiO3

MM

Laser diode@ 940 nm

Nd:YAG laser@ 1064 nm

R

S

Output

SM

Vertical polarization

PBS DotMirror

Horizontal polarization

Unpolarized beam

SF

MM

Polarization recycling Self referencing Two Wave Mixing

Polarization recycling: Insensitive to MM Fiber Amplifier depolarization

Building Reference beam(Dot mirror + Spatial filter)

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.0

Building Reference beam: Dot mirror and spatial filter

MM

DM

SF

Building Reference beam(Dot mirror + Spatial filter)

MM

SM

To spatial filter to make it SM

Reference(almost SM)

Signal Aberrated(MM)

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.0

Experimental results : Power

S = 8.3 WS// = 6.6 W(Total 15W)

R = 110 mW(SM)

(SM)Ampl. R = 11.6 W

2.7 W • Crystal efficiency = 78%

• Total Conversion efficiency = 63%

Output Power vs time

Time (s)

Rise time : 2-3s

S S// S+ S//

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0

2

4

6

8

10

12

Ou

tpu

t p

ow

er (

W)

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.0

Experimental results : Beam Quality

Reference

20 40 60 80 100 1200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

axial position (mm)

be

am

siz

e (

mm

)

Amplified Reference

SignalsS and S//

M² = 7.4Depolarized

M² = 1.2Linearly Polarized

M² = 1.0Linearly polarized

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.0

Power handling capability of Rh:BaTiO3

Rh:BaTiO3 Crystal depoling

Depoling effect appears after several 100 hours of use. It reduces the conversion efficiency.

The effect is temporary suppressed by illumination for several hours with 200mW, 532nm laser

High power handling Low-absorption crystals: photorefractive crystals with

low absorption are more indicated. Co:BaTiO3 crystal is promising.

Large aperture crystals

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trt

co V

6.0

.0

• Presentation d’un nouveau concept et validation experimentale à 15W :

Un oscillateur monomode est amplifié dans une fibre multimode.

La qualité de faisceau est ramenée à la limite de diffraction par un Convertisseur Spatial de faisceau photorefractif

entrée: faisceau dépolarisé multimode cohérent sortie: faisceau monomode linéairement polarisé

CONCLUSION

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trt

co V

6.0

.0

Recovering Beam Quality

How to recover the beam quality of a Multimode Fiber Amplifier ?2 approaches :

Pump

Oscillator

MMFA SM

SM

MM

MMFA Pump

Oscillator

MM

SM

SM

Beam Cleanup

Phase Conjugation

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.0

How to recover Beam Quality ?

2. Conjugaison de phase

MMFA Pump

Oscillator

MM

SM

SM

Miroir à conjugaison de phase

Miroirconventionnel

Miroir à conjugaison de

phase

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6.0

.0

Manip actuelle

Conjugaison de phase par effet Brillouin

fibre multimodedopée

3m

Pump

Oscillator

MM

SM

SM

Fibre multimodenon dopée

1km

Miroir à conjugaison de phase par effet Brillouin

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.0

Effet Brillouin dans une fibre monomode

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

puissance en entrée (W)

Pui

ssan

ce r

efle

chie

(ua

) et

Ref

lect

ivité

du

MC

P

fibre 13.6km, 8µm [email protected]µm

Puissance reflechie

reflectivité

seuil

fibre monomode13.6 km

Diode lasermonofréquence

Onde acoustique(réseau de Bragg)

Onde pompe

Onde Stokes(réfléchie sur le réseau)

Diffusion Brillouin Stimulée

(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)

Photon bruit

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.0

SBS comme Miroir à conjugaison de phase

Milieux non guidants

Nécessite des kW crête!

Onde pompe

Onde Stokes

Onde acoustique

« cellule SBS » (CS2)

Bruit

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.0

SBS comme Miroir à conjugaison de phase

Démarre sur du bruit…

Onde pompe

Onde Stokes

Onde acoustique

« cellule SBS» (CS 2)

Onde incidente

Onde conjuguée en phase

Bruit !

Mais sort conjugué en phase!

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.0

SBS comme Miroir à conjugaison de phase

Cellule BrillouinChamp de bruit

Specklevolumique

Gain localStokes

Gain globalStokes

Puissances globales Pompe, Stokes

Pour une aberration gausienne, l’intensité du Speckle volumique s’écrit

Speckle Stokes aléatoire

C=1non conjugué en phase

Speckle Stokes superposé au Speckle Pompe

C=2; doublement du gainconjugué en phase

NonCP

CP

Lsurf

gPp

eL

surf

gPp

e2

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.0

SBS dans une fibre multimode!

« modes » de la fibre

n1

n2

mode 0 (LP 01)

mode 1 (LP 02)

mode 2 (LP 03)

Fibre Multimode

Longueur 1kmCœur à saut d’indice

Diamètre 50µm, ON 0.22

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6.0

.0

Schéma idéal

Conjugaison de phase par effet Brillouin

fibre multimodedopée

3m

Pump

Oscillator

MM

SM

SM

Fibre multimodenon dopée

1km

Miroir à conjugaison de phase par effet Brillouin

« cellule  SBS» (CS2)

kW crête!

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disc

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' prio

r w

ritte

n ap

prov

al.

©T

HA

LES

200

3. T

empl

ate

trt

co V

6.0

.0

Phase conjugation by SBS : preliminary experiment

Lasermultimode

fiber0.07 m

pulsed laser20ns, 50Hz,

single-frequency Brillouin

(depolarized)

Multimodefiber

0.46 m

With aspherical mirror

M²=3.6

(polarized)

(polarized)

With aphase-conjugating

mirror(0.46m fiber)

M²=1.1

Brillouin Stokes Signal power

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Input Energy (m J)

Ref

lect

ed E

ner

gy

(mJ)

26

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Thi

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HA

LES

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3. T

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6.0

.0

Simulation dans une fibre multimode à Saut d’indice

Fibre multimode SIlong. 0.5 m, diamètre 14µm, ON 0.22

Pompe(entrée)

Stokes(retour)

1mm

entrée 0.2m

0.5m

Fidélité de la CP 90%.

Pompe Stokes

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6.0

.0

Pour une fibre un peu plus longue…

Pompe(entrée)

Stokes(retour)

1mm

entrée 0.2m 0.5m1m 2m 5m

Pompe StokesFibre multimode SI

long. 2 m, diamètre 14µm, ON 0.22

Fidélité de la CP 20%.

Aberrations chromatiques pour les fibres SI > qq. m

Le conjugué en phase n’est plus favorisé.

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empl

ate

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co V

6.0

.0

• Conjugaison de phase par diffusion brillouin stimulée:• Amplification exponentielle du bruit• Gain Double pour le conjugué en phase (<=> facteur ~104)

• Contrainte sur le milieu:•Suffisamment long pour qu’il y ait sélectivité (plusieurs grains de

Speckle•Suffisamment court pour qu’il n’y ait pas aberration chromatique

(grains de Speckle décalés)

CONCLUSION

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LES

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co V

6.0

.0

CONCLUSION

•Solutions

•Impulsionnel ou très fortes réflectivités pour réduit la longueur d’interaction

•Utilisation d’une fibre à gradient d’indice, automatiquement corrigée des aberrations chromatiques

•Utilisation du phénomène de « Beam Cleanup » sur grande longueur de fibre: un seul mode en retour, dépend du couplage.

StokesPompe