Sources laser à fibre et combinaison de faisceaux

SOURCES LASER A FIBRE

Un laser à fibre est un laser dont le milieu amplificateur est une fibre optique. Elle est constituée d’une gaine diélectrique d’indice de réfraction ng et d’un cœur d’indice nc. Si nc>ng alors la lumière peut, sous certaines conditions, être guidée par réflexion totale interne à l’interface cœur-gaine. Pour que le milieu soit effectivement amplificateur, le cœur est dopé avec des ions terres rares tels que l’erbium (Er3+), l’ytterbium (Yb3+), le néodyme (Nd3+), le thulium (Tm3+)… Le choix de l’élément terre rare ainsi que la longueur d’onde de pompage déterminent la longueur d’onde émise par le laser. On s’intéressera par la suite plus particulièrement à l’émission aux environs de 1 µm (dopage Yb) et à celle à 1,5 µm (dopage Er ou codopage Er-Yb). La concentration des dopants, la longueur de la fibre et la puissance de pompage déterminent le gain laser. Dans le cas d’un oscillateur laser, la fibre est placée dans une cavité fermée, aux extrémités, par des miroirs. Dans le cas des lasers à fibre, il est commun d’utiliser des réseaux de Bragg photo-inscrits dans la fibre en guise de miroir.
Il est également possible de réaliser des amplificateurs à fibre, comprenant uniquement la fibre dopée. Ils sont généralement mis en place dans des architectures MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), comprenant un injecteur ou oscillateur maître de faible puissance, qui peut être soit un laser à fibre soit un laser à semi-conducteur, dont le signal est ensuite amplifié par un ou plusieurs amplificateurs à fibre en série. L’avantage de cette structure est de répartir le gain désiré sur plusieurs étages d’amplification tout en gardant les qualités de l’injecteur, notamment la finesse spectrale initiale. pompage par diode laser est généralement possible. L’efficacité optique est élevée, pouvant même atteindre les 80% dans le cas des lasers Yb. Il en résulte un excellent rendement électrique optique.
Grâce à la longueur du milieu actif, la puissance de pompe est absorbée et la chaleur dissipée progressivement dans la fibre. Ainsi la surface d’échange thermique est importante. Pour un même ion dopant, la gestion de la thermique est ainsi plus facile que dans un milieu massif.
Il est possible de souder les extrémités des fibres afin de réaliser des systèmes laser «tout fibré», sous réserve de disposer de composants fibrés, par exemple de miroirs, coupleurs, isolateurs, etc. Cela évite tout désalignement et permet de gagner en compacité et en robustesse vis-à-vis des perturbations extérieures.
Une très bonne qualité de faisceau potentielle : le faisceau est confiné dans le cœur qui opère un filtrage spatial.

TECHNIQUES DE MONTEE EN PUISSANCE DES LASERS A FIBRE

Pour augmenter la puissance des lasers à fibre, plusieurs solutions sont envisageables. Elles ont cependant toutes en commun la volonté d’augmenter la surface du cœur pour diminuer la densité de puissance et repousser les seuils d’apparition des effets indésirables. Cela doit se faire sans compromettre le guidage afin de rester monomode transverse.

Guidage par réflexion totale interne

Une des solutions pour repousser les limites en puissance, et en premier lieu le seuil d’apparition des effets non linéaires, est d’augmenter la taille du cœur. Cependant pour conserver la qualité de faisceau et, à puissance égale, conserver si possible le caractère monomode de la fibre, il faut prendre garde aux conditions de guidage de la fibre et en particulier ne pas augmenter la fréquence normalisée V. Ainsi, si le rayon de cœur augmente, l’ouverture numérique doit être diminuée. Ces fibres à gros cœur mais avec des ouvertures numériques faibles sont appelées fibres LMA (Large Mode Area). C’est en général une différence d’indice plus faible entre le cœur et la gaine qui permet de réduire l’ouverture numérique. Développées à l’origine à l’université de Southampton, ces fibres ont fait l’objet de nombreuses recherches et sont maintenant très répandues. C’est avec ce type de fibres que tous les records de puissance ont été obtenus.
Néanmoins, les technologies de fabrication des fibres imposent des contraintes, en particulier sur la différence d’indice minimale que l’on peut obtenir. Elles ne permettent pas de préserver les conditions de guidage monomode pour de grands diamètres de cœur. Pour rétablir ce caractère monomode, la technique la plus répandue consiste à induire des pertes par courbures sur les modes d’ordre supérieur en enroulant la fibre. Koplow et al. l’ont appliquée pour supprimer les modes d’ordre supérieur d’un amplificateur à fibre dopée Yb de 25 µm de diamètre de cœur et d’ouverture numérique proche de 0,1. Le paramètre V correspondant est alors voisin de 7,4 ce qui permettrait de guider quelques modes transverses. En imposant un diamètre de courbure de 1,58 cm, les auteurs obtiennent malgré tout un faisceau dont le M² est quasiment limité par diffraction (M² = 1,09) et ce sans perte d’efficacité.

Fibres microstructurées

L’apparition des fibres microstructurées a constitué, ces dernières années, un évènement majeur pour la montée en puissance des lasers à fibre. Ces fibres peuvent être divisées en deux familles selon le principe de confinement de la lumière : guidage par « réflexion totale interne modifiée » et par « effet de bande photonique interdite ».
Guidage par réflexion totale interne modifiée :On appelle fibre à guidage par réflexion totale interne modifiée les fibres à cristaux photoniques air-silice. Apparues pour le première fois en 1996, ces fibres, à très gros cœur, sont en silice avec des trous d’air disposés périodiquement. L’indice de l’air étant égal à 1 et celui de la silice voisin de 1,45, la présence des canaux creux dans la gaine de la fibre diminue artificiellement l’indice de la gaine. Son indice effectif est alors compris entre celui de l’air et celui de la silice, ce qui donne des conditions suffisantes pour un guidage par réflexion totale interne.
Guidage par résonance transverse :Les fibres fonctionnant par guidage par résonance transverse sont plus communément appelées fibres à bande photonique interdite. Le guidage n’est plus assuré par la différence des indices entre le cœur et la gaine mais par résonance transverse ce qui interdit la transmission du signal dans une direction perpendiculaire à l’axe optique. Les fibres peuvent être à cœur plein, ie en silice, ou à cœur creux, ie un trou d’air.
Dianov et al. présentent des résultats en configuration laser avec des fibres à bandes photoniques interdites dopées Yb. Une efficacité de 53% a été obtenue avec une configuration tout fibré tandis qu’en pompage air-libre l’efficacité est meilleure et le M²=1,17.
Ces fibres sont en cours de développement. Elles laissent envisager de bonnes possibilités quant à leur usage pour des lasers de très fortes puissances.

COMBINAISON SPECTRALE

La combinaison spectrale ou combinaison par multiplexage en longueurs d’onde consiste à superposer N faisceaux dont les spectres optiques sont différents et disjoints. La combinaison s’effectue via un élément dispersif (réseau, prisme…). Si les longueurs d’onde des faisceaux et leur angle d’incidence sur cet élément sont bien adaptés, il est alors possible de renvoyer tous les faisceaux dans une même direction et d’obtenir un faisceau de bonne qualité spatiale et de puissance égale à la somme des puissances individuelles. L’élément dispersif peut se trouver à l’intérieur de la cavité avant un miroir de sortie commun à toutes les voies, on est alors en configuration laser ou hors cavité, on parle alors en configuration MOPA . En configuration laser, la puissance se répartit dans les différents milieux laser à des longueurs d’onde différentes. Les longueurs d’onde assurant la superposition des faisceaux après diffraction sur l’élément dispersif sont amplifiées de manière privilégiée puisque ce sont elles qui sont résonantes dans la cavité. Au final, chacune des voies n’amplifie qu’une longueur d’onde particulière, légèrement différente des autres voies. Celle-ci ainsi que sa largeur spectrale dépend de la dispersion de l’élément diffractif, de son orientation et de l’écart angulaire entre les différentes voies.
L’institut de physique appliquée de Jena a ainsi obtenu en 2006 la combinaison spectrale de 3 voies lasers à 1070 nm, 1076,5 nm et 1083 nm. Les auteurs obtiennent une puissance de sortie de 100 W avec un M²>2. L’avantage de cette méthode est l’auto-organisation de la cavité qui ne nécessite pas un choix externe des longueurs d’onde appliquées. Leurs valeurs sont définies par l’alignement de la cavité et l’orientation du réseau. Cependant, comme le soulignent les auteurs, elle peut être limitée par la diaphonie entre les différentes voies à combiner si le pouvoir séparateur de l’élément dispersif est trop faible, c’est-à-dire si les différents spectres ne sont pas complètement disjoints. De plus, l’optimisation du couplage de la cavité impose de trouver un compromis entre la suppression de l’émission spontanée et l’extraction d’une puissance maximale au prix d’une efficacité pompe à puissance combinée réduite.
Pour résoudre les problèmes de diaphonie et améliorer la qualité de faisceau, le MIT Lincoln Laboratory a proposé en 2003 l’ajout d’un filtre spatial interne . Cinq lasers Yb sont combinés offrant une puissance totale de 6 W et une très bonne qualité de faisceau avec un M² de 1,14. L’efficacité de combinaison de 72% est limitée par l’efficacité du réseau selon la polarisation. Enfin les auteurs montrent que ce dispositif permet de balayer la direction d’émission du faisceau combiné sur 14 mrad. Cette déviation est obtenue par la rotation du miroir de fond de cavité entraînant, par symétrie, un déplacement équivalent du faisceau de sortie. Il est à noter que le MIT propose une configuration MOPA même si la sélection en longueur d’onde se fait en partie par le miroir et le réseau de fond de cavité. De manière générale, en configuration MOPA, l’élément dispersif se trouve hors cavité et chacune des voies est une chaîne d’amplification indépendante, constituée d’un oscillateur maître suivi d’un ou plusieurs étages d’amplificateurs. Les longueurs d’onde des différentes voies sont choisies pour que les faisceaux soient superposés après diffraction sur l’élément dispersif.

COMBINAISON COHERENTE PAR CONTROLE ACTIF DE PHASE

Les techniques de combinaison par contrôle actif de la phase sont généralement des techniques multi pupillaires. Les sorties des N faisceaux élémentaires sont disposées côte à côte. Ils sont donc séparés spatialement en champ proche et se superposent uniquement en champ lointain. On y obtient une figure d’interférence qui dépend des relations de phase entre les différentes voies. Ainsi pour que la combinaison soit maximale, il faut que les interférences soient constructives, c’est-à-dire que les N voies soient en phase les unes par rapport aux autres. L’agencement géométrique, à 1 ou 2 dimensions, des pupilles de sorties influe également sur la répartition spatiale d’intensité en champ lointain.  Pour faire de la combinaison cohérente, le système doit répondre à plusieurs critères. Tout d’abord les N faisceaux doivent avoir une référence de phase commune ainsi que la même longueur d’onde et la même polarisation. C’est pourquoi, la plupart des expériences de combinaison cohérente utilise une architecture MOPA dans laquelle un oscillateur maître, de faible puissance, alimente N voies d’amplification en parallèle dont les sorties sont disposées côte à côte. L’utilisation d’un injecteur unique, commun à toutes les voies, garantit la longueur d’onde et la référence de phase commune.
Enfin, la contrainte de polarisation est généralement remplie en utilisant des composants à maintien de polarisation ou des contrôleurs de polarisation sur chacune des voies.
Sans contrôle de la phase de chaque voie, les phases relatives des amplificateurs fluctuent dans le temps, occasionnant une figure d’interférence instable, dont le profil et la position varient considérablement. On assure ce contrôle en ajoutant les modulateurs de phase placés en amont des amplificateurs. Pilotés par une boucle de contre-réaction, ils induisent sur chaque voie un déphasage qui compense celui induit par les perturbations environnementales et les amplificateurs placés sur cette voie. Le déphasage relatif entre les voies est alors de 0 modulo 2π. Les N voies mises en phase interfèrent de façon constructive, une grande partie de l’énergie est, en champ lointain, concentrée dans le lobe central de la figure d’interférence dont la position reste stable. On estime la qualité de la mise en phase en mesurant la différence de phase résiduelle entre les voies. Les études des fluctuations de phase relative, conduites par exemple au MIT Lincoln Laboratory, permettent de donner une idée du dimensionnement nécessaire de l’asservissement. A l’aide d’un montage interférométrique, comportant un amplificateur Yb de 1 W ou 10W, cette équipe a caractérisé le spectre des fluctuations de phase dues à l’amplificateur. Les composantes fréquentielles principales vont jusqu’à quelques kHz. Elles sont dues essentiellement aux variations thermiques, aux vibrations mécaniques causées entre autre par les ventilateurs qui refroidissent l’amplificateur et aux perturbations acoustiques. Pour compenser ces fluctuations de phase, l’asservissement doit avoir une bande passante de plusieurs kHz. Cependant, en régime transitoire, lors de la chauffe de l’amplificateur, les auteurs montrent qu’alors, les fluctuations de phase peuvent atteindre la centaine de kHz. La bande passante de l’asservissement doit donc en être d’autant augmentée si l’on veut également mettre en phase lors du régime transitoire.
La mesure des déphasages entre les voies laser nécessite de pouvoir identifier le signal issu de chacune d’elle. Il existe différentes façons de procéder à l’analyse des déphasages présents sur chacune des voies. On peut les regrouper en quatre familles différentes :
Mesure du déphasage lorsque les voies sont encore séparées spatialement, c’est-à-dire en champ proche. Cette méthode, appelée « marquage optique » se fait par détection hétérodyne.
Maximisation de l’intensité reçue par un détecteur placé en champ lointain par l’utilisation d’un algorithme itératif de diffusion d’erreurs.
Marquage fréquentiel avec une fréquence de modulation propre à chacune des voies. La démodulation du signal d’interférence permet de remonter au déphasage issu de cette voie. Techniques d’analyse collective de la phase.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART : SOURCES LASER A FIBRE ET COMBINAISON DE FAISCEAUX
INTRODUCTION
1 SOURCES LASER A FIBRE 
1.1 RAPPELS
1.2 ENJEUX ET LIMITATIONS DE LA MONTEE EN PUISSANCE
1.3 TECHNIQUES DE MONTEE EN PUISSANCE DES LASERS A FIBRE
1.3.1 Guidage par réflexion totale interne
1.3.2 Fibres microstructurées
1.4 CONCLUSION
2 COMBINAISON DE FAISCEAUX 
2.1 GENERALITES
2.2 ADDITION INCOHERENTE
2.3 COMBINAISON SPECTRALE
2.4 COMBINAISON COHERENTE PASSIVE
2.4.1 Généralités
2.4.2 Configuration mono pupillaire
2.4.3 Configuration multi pupillaire
3 COMBINAISON COHERENTE PAR CONTROLE ACTIF DE PHASE 
3.1 PRINCIPE
3.2 PRINCIPALES TECHNIQUES ET RESULTATS
3.2.1 Technique par marquage optique
3.2.2 Technique de diffusion itérative d’erreurs
3.2.3 Technique de modulation fréquentielle
3.2.4 Autres techniques de combinaison par contrôle actif de phase
3.3 AUTRES POSSIBILITES OFFERTES PAR LA COMBINASION COHERENTE MULTI PUPILLAIRE
3.3.1 Application à la déviation de faisceau
3.3.2 Compensation de la turbulence atmosphérique
3.4 ET L’IMPULSIONNEL ?
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE II : COMBINAISON COHERENTE DE FAISCEAUX : PRINCIPES FONDAMENTAUX
INTRODUCTION
1 MODELISATION DE LA COMBINAISON COHERENTE DE FAISCEAUX MONOMODES GAUSSIENS
1.1 PRINCIPE ET DEFINITIONS
1.1.1 Principe
1.1.2 Définition du taux de remplissage de la pupille de sortie
1.1.3 Prise en compte de la phase
1.2 DEVELOPPEMENT ANALYTIQUE DU MODELE
1.2.1 Définition analytique du champ proche
1.2.2 Champ à une distance z
1.2.3 Champ lointain
1.3 EXEMPLES
2 QUALITE DU FAISCEAU COMBINE : CRITERES D’EFFICACITE 
2.1 PARAMETRE M2
2.2 RAPPORT DE STREHL
2.3 TAUX DE COMBINAISON
2.4 BEAM PROPAGATION FACTOR (BPF)
2.5 MASK ENCIRCLED POWER (MEP)
2.6 AUTRES CRITERES D’EFFICACITE
2.7 CONCLUSION
3 INFLUENCE DES PARAMETRES SUR L’EFFICACITE DE LA COMBINAISON COHERENTE 
3.1 INFLUENCE DES DEPHASAGES ENTRE LES SOURCES
3.1.1 Variation des déphasages entre les sources
3.1.2 Différence de phase résiduelle
3.1.3 Déviation de faisceaux
3.2 INFLUENCE DE LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE DES FIBRES
3.2.1 Choix de la collimation
3.2.2 Distance entre les fibres
3.2.3 Arrangement géométrique des fibres
3.2.4 Nombre de fibres combinées
3.3 INFLUENCE DE LA REPARTITION DE PUISSANCE ENTRE FIBRES
3.3.1 Influence du déséquilibre en puissance entre fibres
3.3.2 Nombre de fibres vs puissance
3.4 AUTRES PARAMETRES INFLUANT SUR L’EFFICACITE DE COMBINAISON
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE III : ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBINAISON COHERENTE DE SOURCES LASER ER-YB
INTRODUCTION
1 MODULATION FREQUENTIELLE AVEC REFERENCE INTERNE
1.1 RAPPELS ET PRINCIPE
1.2 ANALYSE THEORIQUE DE LA MODULATION FREQUENTIELLE
1.3 CHOIX DES PARAMETRES DE MODULATION ET DE LA BOUCLE DE CONTRE-REACTION
2 EXPERIENCE PRELIMINAIRE : ETUDE DES FLUCTUATIONS DE PHASE DANS LES AMPLIFICATEURS A FIBRE
2.1 DESCRIPTIF DU BANC DE MESURE DES FLUCTUATIONS DE PHASE
2.2 RESULTATS OBTENUS
3 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE DE LA COMBINAISON COHERENTE 
3.1 CHOIX DES ELEMENTS DU DISPOSITIF
3.1.1 Choix des fréquences de modulation
3.1.2 Choix du modulateur de phase
3.1.3 Choix de la collimation
3.2 MONTAGE EXPERIMENTAL DE COMBINAISON COHERENTE
3.2.1 Description du dispositif expérimental
3.2.2 Présentation du signal reçu par le photodétecteur
3.2.3 Présentation de la carte d’asservissement numérique
3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
3.3.1 Figure d’interférence
3.3.2 Quantification de l’erreur de phase résiduelle
3.4 APPLICATION DE LA COMBINAISON COHERENTE A LA MICRO-DEVIATION DE FAISCEAU
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE IV : COMBINAISON COHERENTE A TRAVERS LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE
INTRODUCTION
1 INFLUENCE DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE : ETAT DE L’ART 
1.1 ACTION DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE
1.1.1 Action de la turbulence sur un faisceau unique
1.1.2 Conséquences de la propagation turbulente sur la combinaison de faisceaux
1.2 COMPENSATION DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE – SOLUTIONS EXISTANTES
1.2.1 Optique adaptative
1.2.2 En combinaison cohérente
2 COMBINAISON COHERENTE A TRAVERS LA TURBULENCE EN TRAJET DIRECT
2.1 ETUDE PRELIMINAIRE : ANALYSE DE LA FORCE DE LA TURBULENCE
2.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX EN TRAJET DIRECT
3 COMBINAISON COHERENTE A TRAVERS LA TURBULENCE SUR SIGNAL RETRODIFFUSE PAR UNE CIBLE
3.1 PRINCIPE GENERAL
3.2 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE
3.2.1 Description du montage et de la configuration optique
3.2.2 Résultats obtenus
3.3 ANALYSE THEORIQUE DE LA CONFIGURATION DE COMBINAISON COHERENTE SUR CIBLE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE V : COMBINAISON COHERENTE : CAS DES FIBRES FAIBLEMENT MULTIMODES
INTRODUCTION
1 ETUDE THEORIQUE
1.1 IMPLICATION DES MODES D’ORDRE SUPERIEUR
1.1.1 Modes de propagation
1.1.2 Conséquences potentielles du caractère multimode des fibres sur la combinaison de
faisceaux
1.2 COMBINAISON COHERENTE DE FIBRES LMA
1.2.1 Adaptation du code de simulation
1.2.2 Comparaison LP/LG
1.2.3 Retour sur la définition de la pupille de référence
1.3 ETUDE DE LA COMBINAISON DE MODES D’ORDRES SUPERIEURS (PURS)
1.3.1 Modes LGlm (l ≠ 0)
1.3.2 Modes à symétrie de révolution LGlm (l =0)
1.4 ETUDE DE L’INFLUENCE DU CARACTERE FAIBLEMENT MULTIMODE
1.4.1 Composition modale
1.4.2 Déphasage modal
2 COMBINAISON DE FIBRES PASSIVES FAIBLEMENT MULTIMODES 
2.1 MONTAGE EXPERIMENTAL
2.2 PRINCIPAUX RESULTATS
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE A : MODES GUIDES DANS UNE FIBRE A SAUT D’INDICE 
Modes transverses q=0
Modes hybrides q≥1
Fréquences de coupure
Expression des champs et intensité
MODES LP 
Equation aux valeurs propres
Expressions des champs des modes LP
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE B : MODELE ANALYTIQUE DE LA COMBINAISON COHERENTE PAR MODULATION
FREQUENTIELLE 
ANNEXE C : PUBLICATIONS ASSOCIEES A CE TRAVAIL

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