Oscillateurs de Mamyshev: théorie, développement et applications

 

Michel Olivier

Cégep Garneau

 

Domaine : techniques, mesures et systèmes

Programme de recherche pour les chercheurs de collège

Concours 2019-2020

Les lasers basés sur des fibres optiques comme milieu de gain occupent une place de plus en plus grande dans le marché des lasers. Ils sont utilisés dans une grande variété d'applications autant industrielles que scientifiques dans des domaines tels que le micro-usinage, la spectroscopie, la microscopie non linéaire, la tomographie, la chirurgie et le marquage. Parmi ces sources lasers, on retrouve les lasers à fibre ultrarapides qui émettent des impulsions ayant des durées de l'ordre de 100 fs ou moins appropriées pour des applications demandant des sources cohérentes avec de larges spectres optiques (ex.: spectroscopie), une bonne précision temporelle (ex.: étude de la dynamique moléculaire ou télédétection) ou une puissance crête élevée (ex.: microscopie non linéaire, génération d'ondes terahertz). Une des plus belles avancées au niveau du développement de tels lasers fut l'apparition des oscillateurs de Mamyshev au cours des dernières années. Ces oscillateurs ont montré des performances exceptionnelles en battant le record de puissance crête pour des lasers à l'ytterbium (1060 nm) avec 3 MW et en se classant parmi les meilleures à ce niveau pour les lasers à l'erbium (1550 nm). Ces performances sont comparables à celles des lasers Ti:saphir qui ont dominé le marché des lasers à impulsions ultrabrèves au cours des 30 dernières années. Les oscillateurs de Mamyshev, en plus de posséder tous les avantages habituels des lasers à fibre, montrent une très grande stabilité face aux perturbations environnementales, sont relativement faciles à opérer et versatiles.

Le présent projet se penche sur la théorie, le développement et les applications de ces oscillateurs de Mamyshev. En s'appuyant sur des modèles et un simulateur que nous développerons, nous désirons apporter une compréhension approfondie de leurs conditions de démarrage et de l'impact de différents paramètres comme la dispersion des fibres utilisées et l'évolution de l'état de polarisation du signal dans celles-ci. Nous voulons étudier leurs performances au niveau expérimental afin de les optimiser, que ce soit par des ajustements de paramètres comme les longueurs des fibres utilisées et les profils des filtres spectraux constituant la base de leur mécanisme de génération d'impulsions, ou bien par des modifications plus majeures de leur design. Nous voulons également établir les propriétés de cohérence de ces sources, qui constituent un aspect important dans certaines applications. Pour ce faire, nous nous baserons sur l'oscillateur de Mamyshev à 1550 nm que nous avons développé récemment et que nous pourrons modifier à notre guise. En se basant sur notre expertise dans ce domaine, nous étudierons la possibilité de construire de tels lasers dans d'autres régions spectrales, plus particulièrement dans l'infrarouge moyen, en utilisant des fibres en verre fluoré. Finalement, nous nous pencherons sur d'éventuelles applications comme, par exemple, la génération de supercontinuum et la conversion spectrale grâce à des fibres ou des cristaux non linéaires.

Les retombées de ces différentes études pourront avoir un impact majeur sur le futur des lasers à fibre. Ceux-ci pourraient détrôner les lasers à l'état solide dans des applications traditionnelles et permettre d'en développer de nouvelles.