Combinaison cohérente de sources laser fibrées et application à la

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Journées de l’optique – Réseau Optique et Photonique
3/06/09 - 5/06/09
Combinaison cohérente de sources laser
fibrées et application à la compensation de
la turbulence atmosphérique
P. Bourdon, V. Jolivet, B. Bennaï, L. Lombard, D.
Goular, G. Canat et O. Vasseur (ONERA/DOTA)

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Plan
1) Rappels sur les lasers à fibres
- intérêt des lasers à fibres,
- intérêt de la montée en puissance des lasers à fibres,
- limites à leur montée en puissance,
2) Techniques de combinaison de lasers
- combinaison incohérente,
- combinaison cohérente,
- combinaison cohérente par contrôle actif de la phase.
3) Combinaison cohérente de lasers à fibres par contrôle actif de la phase
- 2 grandes techniques existantes,
- montage expérimental,
- qualité de la combinaison cohérente.
4) Compensation de la turbulence atmosphérique par combinaison de lasers
- principe des techniques COAT,
- description de la configuration expérimentale mise au point à l'Onera,
- analyse théorique de cette configuration expérimentale.
5) Combinaison cohérente de lasers à fibres à gros cœur
- rappel sur les fibres à gros cœur,
- modélisation de la combinaison de fibres faiblement multimodes,
- premiers résultats.
6) Perspectives
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Intérêt des sources laser fibrées
• Rendement à la prise maximisé
• Pompage par diode laser souvent possible
• Longueur du milieu actif (au minimum 1 m) + confinement
de la lumière dans la fibre efficacité optique optimale
• Gestion de la thermique facilitée
• Longueur du milieu actif répartition progressive de la
puissance de pompe absorbée
• Longueur du milieu actif surface d’échange thermique
accrue)
• Très bonne qualité de faisceau potentielle
• Confinement dans la fibre filtrage spatial du faisceau
• Compacité, tenue à l'environnement (climatique,
vibrations), alignement robuste
• Système tout fibré pas de désalignement, compacité
(fibre enroulée + fort rendement à la prise)

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Applications des sources lasers étudiées à l'ONERA :
1) Sécurité aérienne
LIDAR D'ANEMOMETRIE (LIDAR Doppler)
2) Applications militaires offensives
CONTRE-MESURES OPTRONIQUES, ARMES LASER
3) Applications militaires type Détection–Reconnaissance-Identification (DRI)
VIBROMETRIE LASER, IMAGERIE ACTIVE
4) Connaissance de l'atmosphère, détection de polluants = mesures embarquées
DETECTION D'ESPECES (LIDAR DIAL)
- Portées élevées (jusqu'à quelques dizaines de km)
- Sensibilité accrue des méthodes de mesure ou des effets sur cible
MONTEE EN PUISSANCE DES LASERS
BONNE QUALITE DE FAISCEAU
- Compacité et applications embarquées sur porteur avion ou satellite
- Contraintes spectrales (accordabilité en λ
λλ
λ, finesse de raie)
LASERS A FIBRES
Intérêt de la montée en puissance des lasers à fibres
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Limites physiques à la montée en puissance des lasers à
fibres
Pour aller au-delà de ces limites, on peut essayer d’additionner les puissances de plusieurs lasers :
-En continu, 10 kW, Yb:Fibre, 50 modules de 200 W, M² ~ 60 (IPG Photonics)
-Il faut donc trouver des moyens de coupler les lasers tout en conservant la qualité de faisceau.
-Pour cela, deux grandes familles de techniques :
-le couplage incohérent
-le couplage cohérent (mise en phase).
Il existe une limite à la puissance accessible grâce à une chaîne MOPA fibrée :
-Effets thermiques pouvant fondre la fibre
-Effets non linéaires dissipant la puissance lumineuse ou détruisant les composants optiques
-Seuils de dommage en surface des facettes des fibres
-Densité spatiale de puissance de pompe accessible
-Si on prend en compte tous les phénomènes physiques limitants, on peut évaluer la puissance
maximale accessible dans un faisceau limité par diffraction à (simulations Onera) :
-10-15 kW et 10-15 J/ms pour un laser fibré émettant à 1 µm (dopage Yb)
-1-3 kW et 1-3 J/ms pour un laser fibré émettant à 1,5 µm (co-dopage Er-Yb)
36 kW pour un laser Yb:fibre continu
10 kW en prenant en compte l’enroulement des fibres
2 kW pour un laser Yb:fibre continu fin spectralement
J.W. Dawson et al. (LLNL), Optics Express vol. 16, pp. 13240-13266 (2008)

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Techniques de couplage incohérent de lasers (1/2)
• Superposition de faisceaux lasers avec différentes
polarisations ou longueurs d'ondes ( sans interférences)
+
- limité à un nombre restreint de sources laser
-2 kW combinés = 4x 500 W
(IAP Jena, 2009)
-point dur principal = seuil de dommage
optique du l'élément diffractif
-spectre émis = très large
-la configuration géométrique et son
alignement sont complexes
• Multiplexage en longueur d'onde
λ
λλ
λ1
11
1
λ
λλ
λ2
22
2
λ
λλ
λ3
33
3
Faisceau multiplexé en longueur d'onde
réseau
de
diffraction
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Techniques de couplage cohérent de lasers (1/3)
• Superposition de faisceaux lasers avec les mêmes
polarisation et longueur d'onde ( cohérence nécessaire pour
obtenir des interférences constructives)
-200 W combinés (Hugues Research Labs 2005)
-limité à un faible nombre de sources laser (< 10)
-point dur = dommage optique des composants
partagés par les différents lasers
Laser 1
Laser 2
M1
M1'
M2
M2'
• Lasers auto organisés : cavités laser couplées

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Techniques de couplage cohérent de lasers (2/3)
• Lasers auto organisés : lasers à fibres multicœurs
Fibre microstructurée à 6 cœurs dopés (QinetiQ)
3 supermodes qui peuvent se propager
dans la fibre à 6 cœurs (QinetiQ)
-jusqu'à 80 % de la puissance totale combinée dans un supermode de faible M²
-la technologie de fabrication des fibres multicœurs est encore en cours de
développement
-la sélection des supermodes nécessite une configuration laser particulière
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Combinaison cohérente de lasers par contrôle actif de la
phase
•Principe des techniques de combinaison cohérente de faisceaux par
contrôle actif de la phase:
• Modulation de phase par: EO, AO, SLM, cristaux liquides, variation du courant de
pompe des amplis, etc
• Analyse de phase: domaine optique (diversité de phase, détection hétérodyne avec
référence externe, …), domaine électrique (LOCSET)
• Optiques de sortie: influe sur le taux de remplissage et la quantité d’énergie dans le
lobe central
injecteur
Coupleur
1 vers n
…
…
n-1
modulateurs
de phase n ampli.
fibrés
Optiques
de sortie Analyseur
de phase
Boucle de
rétroaction