Etude de l'éffet brillouin en cavité laser

Abstract

Ce travail est une contribution théorique à l'étude du fonctionnement dynamique d'un laser à fibre dopée Ytterbium, double gaine émettant à 1.08 µm. Ces lasers fibrés de puissance connaissent un développement considérable au point de devenir de sérieux concurrents pour de lasers traditionnels comme le laser CO2 ou le laser Nd :YAG. Cependant leurs fonctionnements dynamiques présentent des instabilités, dues aux effets non linéaires de troisième ordre, générés dans le cœur de la fibre par la présence de grandes densités d'énergies. Parmi ces effets qui ont retenus notre attention, l'effet Kerr mais surtout la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) ont une grande influence. Cette dernière a été mise en évidence en 1964. Elle est décrite comme une réaction où un photon laser de pompe se transforme en un nouveau photon de fréquence différente et un phonon. La diffusion Brillouin stimulée est initiée par une onde Stokes diffusée spontanément et dont la fréquence vérifie la condition d'accord de phase pour une fréquence pompe donnée. Cette étude va servir à comprendre la source des instabilités observées expérimentalement dans les lasers à fibre de puissance. La première partie de ce travail est consacrée à la mise en oeuvre d'un modèle cinétique qui décrit l'évolution spatio-temporelle de l'intensité d'un laser de puissance à fibre dopée ytterbium en présence de la DBS. La cavité de ce laser est de type Fabry Pérot. Elle est constituée de deux miroirs ce qui conduit à l'existence de deux ondes laser (aller-retour) qui se propagent en sens contraire, ainsi que de deux ondes Stokes associées aux ondes laser. La présence de toutes ces ondes sous la courbe de gain nécessite la prise en compte de la saturation croisée entre les ondes laser et les ondes Stokes. Le résultat original le plus important de cette étude est qu'en présence de la diffusion Brillouin stimulée, le laser à fibre de puissance dopée ytterbium présente un fonctionnement auto-impulsionnel dans le cas d'une cavité à fortes pertes sans aucun absorbant saturable. Pour le cas d'une bonne cavité où cavité à faibles pertes la dynamique présente un fonctionnement continu quel que soit le taux de pompage, ce qui est conforme aux observations expérimentales. Dans la deuxième partie nous avons étudié numériquement l'influence de la diffusion Brillouin dans une cavité laser à faibles pertes, en utilisant le modèle des amplitudes couplées et en tenant compte de la dynamique de l'onde acoustique. Des fonctionnements dynamiques riches et complexes sont observés. En particulier le fonctionnement quasi périodique est identifié et étudié. D'autres types de fonctionnements (chaotique, sinusoïdal..etc..) ont été mis en évidence sous l'influence du taux de pompage, mais inaccessibles expérimentalement, à cause du risque de détérioration de ces lasers. Le modèle élaboré est assez général et comme perspectives à l'étude réalisée, il va nous permettre de prendre en compte l'influence d'autres effets non linéaires comme l'effet Kerr et la diffusion multiple Brillouin.