Au cours des dernières décennies, seuls les modes temporels ont été considérés pour les lasers à fibre à verrouillage de mode utilisant des fibres monomodes. Les lasers à fibre monomode à mode verrouillé offrent des avantages en raison de leur dopage à gain élevé, mode intrinsèquement monospatial, et des configurations compactes. Cependant, en termes de niveaux de puissance, les lasers à fibre à mode verrouillé souffrent d'une non-linéarité élevée, qui est introduit par la petite taille de coeur des fibres monomodes. Chercheurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, La Suisse (EPFL) a récemment développé une nouvelle approche pour la production de haute énergie, impulsions ultracourtes avec qualité de faisceau monomode :nettoyage non linéaire du faisceau dans une cavité laser multimode.

Verrouillage de mode spatio-temporel

L'approche traditionnelle pour surmonter le problème du niveau de puissance consiste d'abord à générer des impulsions ultracourtes de faible puissance (appelées oscillateurs laser), suivi d'une cascade d'amplificateurs pour augmenter les niveaux de puissance. Mais l'amplification externe augmente le coût et la complexité.

Récemment, fibres multimodes, notamment des fibres multimodes à gradient d'indice, ont attiré l'attention en raison de leur faible dispersion modale et de l'auto-focalisation périodique de la lumière à l'intérieur. Nettoyage de faisceau spatial, conversion de longueur d'onde, et le verrouillage de mode spatio-temporel ont été démontrés avec des fibres multimodes à gradient d'indice.

Le verrouillage de mode spatio-temporel est une nouvelle approche pour générer des impulsions ultracourtes. Il crée un équilibre entre les effets spatiaux et temporels au sein d'une cavité laser multimode, qui prend en charge plusieurs chemins pour guider la lumière. Le grand diamètre de coeur multimode de la fibre diminue la non-linéarité de la cavité et permet au système d'atteindre des énergies d'impulsion élevées sans amplification externe. Cependant, en raison de sa nature multimode, les lasers à verrouillage de mode spatio-temporel de haute puissance souffrent d'un faisceau de sortie de faible qualité.

Qualité de faisceau monomode via un nettoyage de faisceau non linéaire

Des chercheurs de l'EPFL ont démontré un nettoyage de faisceau non linéaire dans une cavité laser multimode - une première démonstration - qui permet la génération de haute énergie, impulsions ultracourtes avec une qualité de faisceau monomode. Leur rapport, publié dans la revue à comité de lecture, revue en libre accès Photonique avancée , montre que les propriétés d'impulsion temporelle intracavité conçues permettent à une route de générer un faisceau de haute qualité lorsque le verrouillage de mode est obtenu.

Leur conception permet la génération d'impulsions femtosecondes inférieures à 100 avec une énergie d'impulsion élevée (> 20 nJ) et une qualité de faisceau de valeur M2 (inférieure à 1,13 sans amplification externe) sous une forme compacte et économique. L'équipe a étudié la dynamique complexe des cavités par des simulations à résolution de mode et a confirmé le nettoyage non linéaire du faisceau numériquement et expérimentalement.

L'auteur principal Ugur Tegin note que le travail de son équipe présente une nouvelle façon d'exploiter et de contrôler la dynamique non linéaire spatio-temporelle pour la génération d'impulsions ultracourtes. Les résultats de cette recherche montrent qu'une bonne qualité de faisceau, énergie d'impulsion élevée, et une durée d'impulsion inférieure à 100 fs à partir d'un laser à fibre peut être construite avec des composants standard disponibles dans le commerce. La méthode décrite peut être étendue aux fibres avec une plus grande taille de cœur pour une mise à l'échelle de la puissance tout en préservant la qualité du faisceau des impulsions inférieures à 100 fs.