Etat de l’art et prérequis pour des sources LIDARS vent

 Contexte de la thèse et application LIDAR 

Aujourd’hui les cadences aéroportuaires sont de plus en plus élevées pour répondre aux flux des personnes ou des marchandises transportées par les airs. Cependant les cadences des atterrissages et des décollages (ainsi que les distances de sécurité en vols) sont limitées par les tourbillons de sillages crées par la différence de pression entre le dessous de la voilure d’un avion et le dessus. Sur les bords des ailes . Ce phénomène crée un écoulement turbulent qui présente un danger pour les aéronefs (voir le rapport du crash du Bombardier Learjet 45 XC-VMC en 2008 au Mexique).

Il existe aussi le cisaillement de vent qui se traduit par une variation de la vitesse ou de la direction du vent entre deux zones proches de l’atmosphère. Il en résulte un écoulement turbulent qui perturbe fortement le décollage et l’atterrissage des avions. Ces phénomènes invisibles à l’œil humain, doivent être détectés et caractérisés pour permettre au pilote d’effectuer un vol (atterrissage et décollage compris) dans les meilleures conditions de sécurité. Les LIDARS anémométriques ou LIDARS vent mesurent les vitesses des aérosols présents dans l’atmosphère, ces derniers sont d’excellents marqueurs des écoulements d’air dans l’atmosphère dite basse. Le LIDAR utilise une source lumineuse cohérente, un laser pour scanner des zones ou des tranches de l’atmosphère, la mesure de la vitesse du vent est faite via le décalage Doppler subi par l’onde optique.

Principe de fonctionnement des LIDARS 

Le LIDAR est un instrument de mesure optronique dont le principe général de fonctionnement est extrait du RADAR, ou du SODAR. Cela consiste à utiliser des ondes, qu’elles soient électromagnétiques (RADAR 30 MHz – 300 GHz), acoustiques (SODAR 100 Hz – 100 kHz), ou optiques (LIDAR 30 THz – 1000 THz) pour caractériser un milieu (détection, densité, concentration…). Le Lidar est utilisé pour sonder des milieux à faible densité, dans le but de mesurer certains paramètres, dont la distance, la température, la vitesse, la composition…

Les Lidars sont apparus vers les années 1960, peu après l’apparition du laser. C’est une équipe du MIT [1] qui décide d’utiliser la lune comme cible, dans le cadre du projet Luna-see pour explorer les possibilités d’un radar laser ou lidar. Ils mettent en place un montage Lidar utilisant comme source un laser à rubis impulsionnel, pour effectuer des mesures télémétriques. Dans le cadre de la thèse, nous allons uniquement nous intéresser au Lidar Doppler cohérent pour la mesure de vitesse de vent dans l’atmosphère. La mesure de la vitesse du vent est faite grâce à la rétrodiffusion élastique des aérosols présents dans l’atmosphère (Diffusion de Mie). Cette rétrodiffusion par les aérosols s’accompagne d’un décalage fréquentiel (décalage Doppler) proportionnel à la vitesse longitudinale de l’aérosol (bien que l’onde optique subisse un changement fréquentiel, l’effet Doppler peut être assimilé à une diffusion élastique, car le processus d’échange d’énergie est très faible et n’intervient pas dans la restitution des vitesses des aérosols).

Caractéristiques de la source pour un LIDAR Doppler cohérent 

La source optique servant au Lidar Doppler cohérent doit répondre à différents critères imposés par les utilisateurs du Lidar, à savoir :
♦ Etre à sécurité oculaire pour éviter tout danger pour le personnel travaillant en zone aéroportuaire (ne pas aveugler de façon temporaire ou permanente).
♦ Avoir un spectre optique suffisamment fin pour distinguer le décalage Doppler de l’ordre du MHz subit par l’onde rétrodiffusée par les aérosols. Une vitesse relative de 1 m/s correspond à un décalage Doppler de 1,3 MHz.
♦ Réduire la durée des impulsions permet d’augmenter la résolution spatiale des tirs. Néanmoins, diminuer la durée des impulsions augmente la largeur du spectre de la source. Il y a donc un compromis entre la résolution spatiale des tirs et la précision sur la mesure de vitesse par effet Doppler. L’ordre de grandeur de la durée des impulsions est de la centaine de nanoseconde à la microseconde.
♦ Le taux de répétition des impulsions doit être le plus élevé possible, pour permettre une forte moyenne des données et assurer une mesure représentative des écoulements d’air dans l’atmosphère.
♦ Avoir une qualité de faisceau en sortie la plus proche possible de la limite de diffraction (M²≈1). La qualité du faisceau rétrodiffusée influe directement sur le rendement de la détection hétérodyne servant à la mesure du décalage Doppler de l’onde rétrodiffusée, donc de la vitesse du vent.
♦ Posséder en sortie une puissance crête de l’ordre du kilowatt, pour effectuer des tirs à longue portée.
♦ Avoir un état de polarisation linéaire en sortie de source, pour permettre la séparation par état de polarisation entre le faisceau émis et celui recueilli par le télescope (utilisation du même télescope pour l’émission et la réception).
♦ Avoir une source compacte, robuste et facilement transportable.

En fonction de ces caractéristiques, une source MOPFA (Master Oscillator Power Fiber Amplifier), émettant à 1545 nm (sécurité oculaire) semble plus adaptée pour une utilisation Lidar. Nous aurions pu choisir une source émettant à 2 μm, mais les technologies à cette longueur d’onde sont moins récentes, et donc moins performantes (surtout pour les systèmes de détection type photodiode).

Le principe de fonctionnement du système MOPFA est représenté sur la Figure 1.4. Une diode laser émet un signal continu mono-fréquence à 1545 nm, nous découpons ce signal en impulsions avec un modulateur acousto-optique (MAO) fibré. Un modulateur acousto-optique est constitué, d’électrodes piézo-électriques qui vibrent et transmettent une onde de pression (ou acoustique) à un cristal, ce qui modifie son indice de réfraction, et module l’intensité en sortie du MAO. La forme du signal électrique envoyée au modulateur piézo-électrique est volontairement choisie pour créer des impulsions du type gaussien à la sortie. Le MAO détermine également le taux de répétition des impulsions émises. Ces impulsions sont ensuite envoyées dans un ou plusieurs amplificateur(s) à fibre(s) disposé(s) en série. Les amplificateurs sont constitués de fibres optiques dopées aux ions terres rares (Er, Yb, Th, Eu…). Dans notre cas, pour une émission à 1545 nm, nous utiliserons des fibres dopées erbium, ou codopées erbium ytterbium, dans les deux cas précédent, l’émission laser s’effectue autour de 1550 nm. Les fibres amplificatrices devront être à maintien de polarisation pour obtenir un faisceau polarisé linéairement en sortie. Le maintien se fera par ajout de barreaux de contrainte de part et d’autre du cœur dans la silice de la fibre, ils permettent de créer une biréfringence dans la fibre.

Un avantage des sources fibrées est la qualité du faisceau en sortie, celui-ci est naturellement gaussien en sortie de fibre optique monomode (lorsque le mode fondamental de la fibre correspond au mode LP01 ou mode gaussien). Un faisceau en limite de diffraction permet d’effectuer des mesures précises par détection hétérodyne.

La source optique va donc être composée d’une diode laser fibrée émettant un signal mono fréquence continu à 1545 nm, d’un modulateur acousto-optique fibré permettant de créer des impulsions gaussienne de 200 ns de largeur à mi-hauteur avec un taux de répétition de 20 kHz. Nous utiliserons ensuite un préamplificateur composé de deux étages, l’un dopé erbium, l’autre codopé erbium ytterbium, puis d’un dernier étage d’amplification constitué par une fibre multicœurs dopée erbium.

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Table des matières

Introduction générale
1 Etat de l’art et prérequis pour des sources LIDARS vent
1.1 Contexte de la thèse et application LIDAR
1.1.1 Principe de fonctionnement des LIDARS
1.1.2 Caractéristiques de la source pour un LIDAR Doppler cohérent
1.2 Les fibres optiques monomodes
1.2.1 Fibre monomode à saut d’indice
1.2.2 Les fibres à double gaines
1.3 Limites imposées par les non-linéarités dans les fibres
1.3.1 Les non-linéarités du 3ème ordre : SRS, SBS, Kerr
1.3.2 La diffusion Brillouin
1.3.3 La diffusion Raman
1.3.4 L’effet Kerr
1.3.5 Méthodes pour repousser les effets non-linéaires
1.4 Fibre à large aire modale LMA
1.4.1 Fibres microstructurées PCF (Photonics Crystal Fiber)
1.4.2 Fibres LPF (Large Pitch Fiber)
1.4.3 Fibres à bande interdite photonique
1.5 Combinaison de faisceaux pour les lasers de puissance
1.5.1 Différents principes de combinaison
1.5.1.1 Combinaison incohérente ou combinaison spectrale
1.5.1.2 Combinaison cohérente temporelle
1.5.1.3 Synthèse spectrale (ou combinaison cohérente spectrale)
1.5.1.4 Combinaison cohérente spatiale
1.5.1.5 Architectures passive de mise en phase pour la combinaison cohérente spatiale
1.5.2 Architectures de combinaison cohérente spatiale
1.5.2.1 Le remplissage de pupille (combinaison en champ lointain)
1.5.2.2 La superposition des faisceaux (combinaison en champ proche)
1.5.3 Techniques de mesure des phases
1.5.3.1 Méthode directe
1.5.3.2 Méthode indirecte
1.5.4 Techniques de modulation de phase
1.6 Amplification de forte puissance crête à 1,5 µm
1.6.1 Dopage du cœur et matrice vitreuse
1.6.2 Amplification dans les fibres dopées erbium
1.6.3 Etat de l’art des sources à 1,5 µm mono-fréquence
1.7 Récapitulatif et conclusion
2 Enjeux et problématique de la thèse
2.1 Projet multifemto et problématique de la thèse
2.2 Les fibres multicœurs
2.3 Conception de la fibre multicœurs
2.4 Techniques d’injection dans une fibre multicœurs
2.5 Principe de fonctionnement du SLM
2.6 Techniques de recombinaison à la sortie de la fibre
2.7 Recombinaison spatiale avec un élément diffractif et injection de la pompe
2.8 Récapitulatif et conclusion
3 Combinaison cohérente dans la fibre multicœurs
3.1 Description géométrique de la fibre multicœurs et injection dans les cœurs
3.1.1 Présentation et caractéristiques des fibres
3.1.2 Mesures caractéristiques et mise en place du SLM
3.1.3 Synthèse d’une carte de phase modélisant le champ complexe
3.1.4 Comparaison des cartes de phases simulées obtenues avec ou sans optimisation
3.1.5 Adressage des cristaux liquides et bruit de phase
3.1.6 Calibration du déphasage appliqué par le SLM
3.1.7 Mesures caractéristiques du SLM
3.1.8 Conclusion sur l’injection par SLM
3.2 Recombinaison du signal et injection du faisceau de pompe par diffraction de phase
3.2.1 Caractéristiques du DOE
3.2.2 Pertes chromatiques : injection de la pompe et combinaison du signal
3.2.3 Principe de la superposition des faisceaux pour la combinaison du signal
3.3 Amplification et combinaison cohérente dans la fibre multicœurs
3.3.1 Mesure d’atténuation et d’absorption
3.3.2 Pompage mono cœur
3.3.3 Caractérisation du signal du MAO et du préamplificateur
3.3.4 Mesure du bruit de phase relatif par détection IQ (In phase and Quadrature)
3.3.5 Mise en place du système d’asservissement SPGD
3.3.6 Mesure de l’efficacité de combinaison et calcul des pertes
3.3.7 Interférences à 2 ondes plutôt que 7 ondes (information de phase relative)
3.3.7.1 La formation des interférogrammes
3.3.7.2 Traitement du signal et restitution de la phase
3.3.7.3 Mesure de la phase résiduelle
3.3.7.4 Calibration du système par la position des franges pour obtenir une boucle fermée
3.3.7.5 Généralisation de la technique : le masque à trou
3.4 Récapitulatif et conclusion
4 Perspectives d’amélioration de la combinaison cohérente avec une fibre multicœurs
4.1 Simulation de profil de phase de DOE
4.1.1 Méthode pour la simulation de profil de phase continu
4.1.1.1 Simulation de profil de phase
4.1.1.2 Techniques de conception de profils continus et limites
4.1.1.3 Conclusion
4.2 Fibre multicœurs idéale pour les lasers de puissance
4.2.1 Simulation d’amplification dans une fibre de 30dB/m d’absorption au pic (1530 nm)
4.2.2 Etude comparatives des configurations simulées
4.2.3 Simulation d’amplification dans une fibre codopée erbium ytterbium en configuration double gaine.
4.3 Récapitulatif et conclusion
Conclusion générale

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