De l'usinage de précision à la microscopie avancée, la demande de lasers ultra-rapides de plus grande puissance continue de croître. Traditionnellement, les chercheurs se sont appuyés sur des fibres monomcoles pour construire ces lasers, mais ils sont confrontés à une limite physique fondamentale de la production d'énergie. Pour percer ce goulot d'étranglement, nous nous sommes tournés vers les fibres multimode, qui peuvent transporter de nombreux modes de lumière – des formes de lumière essentiellement différentes – à une fois, une technique connue sous le nom de verrouillage de mode spatio-temporel (STML).
Cependant, faire fonctionner ces différents modes en harmonie a été un défi important. Dans nos dernières recherches, publiées dans Lettres d'optiquenous avons développé une nouvelle technique qui nous permet de contrôler avec précision et indépendamment chacun de ces modes transversaux, conduisant à une augmentation spectaculaire de la puissance laser et de la polyvalence.
Le problème de base à laquelle nous avons été confrontés est connu sous le nom de dispersion intermodale. Dans une fibre multimode, différents modes lumineux se déplacent à des vitesses légèrement différentes. Cette inadéquation de vitesse fait que les impulsions laser se propagent et se séparent dans le temps et l'espace, empêchant la formation d'impulsions stables et haute puissance. Les techniques STML précédentes utilisaient généralement une méthode appelée filtrage spatial pour compenser cette dispersion, mais cette approche limite le nombre de modes qui peuvent être verrouillés ensemble, plafonnant ainsi l'amélioration potentielle de la puissance.
Pour résoudre ce problème, nous avons proposé une technique de contrôle de la division des modes transversales. Notre approche est simple: nous utilisons un appareil appelé multiplexeur de mode / démultiplexeur (Mux / Demux) pour séparer le faisceau mixte à l'intérieur de la fibre multimode en canaux individuels, un pour chaque mode. Une fois séparés, nous pouvons gérer la dispersion (c'est-à-dire le retard de voyage) pour chaque mode indépendamment en ajoutant des longueurs précises de fibre compensant à chaque canal.
Après avoir optimisé chaque mode, nous les recombinons avec un multiplexeur en un faisceau unique, puissant et cohérent. Cette méthode nous permet théoriquement de verrouiller n'importe quel nombre de modes, maximisant le potentiel énergétique de la fibre.
Nous avons mis en œuvre notre technique dans un laser à verrouillage en mode, dopé à YB, tout fibre, spatio-temporel. Les résultats expérimentaux ont été très encourageants. En verrouillant quatre modes transversaux (LP01, LP11, LP21 et LP02) simultanément, nous avons atteint des impulsions de soliton dissipatives avec 15 NJ d'énergie à un taux de répétition de 14,49 MHz.
Surtout, nous avons démontré que la puissance de sortie échelle avec le nombre de modes participants. Lorsque quatre modes ont été verrouillés simultanément, l'efficacité de la pente du laser – une mesure de la façon dont il convertit efficacement la puissance de la pompe en puissance de sortie – a réalisé 7,9%, ce qui représente plus du double de l'efficacité de 3,79% de l'opération monomode.
De plus, notre technique offre des capacités de transmission sans précédent. En sélectionnant dynamiquement la combinaison des modes impliqués dans le verrouillage du mode, nous avons réussi à générer un faisceau quasi-flat avec un profil d'intensité uniforme. Ce faisceau spécialisé a obtenu une puissance de sortie moyenne de 150 MW et une seule énergie d'impulsion de 10,4 NJ à une puissance de pompe de 3 W. Notre laser a également démontré une excellente stabilité à long terme, avec une dérive minimale de fréquence centrale après 12 heures de fonctionnement continu.
En conclusion, nous avons développé et validé expérimentalement une nouvelle technique de contrôle qui surmonte le goulot d'étranglement de l'échelle de puissance de base dans les lasers de fibres STML. En contrôlant indépendamment la dispersion de chaque mode transversal, notre schéma fournit un chemin viable pour synchroniser n'importe quel nombre de modes et maximiser l'extraction d'énergie.
Nous pensons que ce cadre universel pour le contrôle de la dynamique spatio-temporelle multimode ouvre la voie à la prochaine génération de sources lumineuses ultra-rapides, à des applications impactantes prometteuses dans la fabrication de précision, la microscopie non linéaire et la science attoseconde.
Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent signaler les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur la boîte de dialogue Science X et comment participer.
