Combinaison cohérente de sources laser fibrées et application à la

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)
1
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
3
Intérêt des sources laser fibrées
•
Rendement à la prise maximisé
•
•
•
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
•
•
Pompage par diode laser souvent possible
Longueur du milieu actif (au minimum 1 m) + confinement
de la lumière dans la fibre efficacité optique optimale
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)
4
2
Intérêt de la montée en puissance des lasers à fibres
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, finesse de raie)
LASERS A FIBRES
5
Limites physiques à la montée en puissance des lasers à
fibres
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)
J.W. Dawson et al. (LLNL), Optics Express vol. 16, pp. 13240-13266 (2008)
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
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).
6
3
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
•
Multiplexage en longueur d'onde
réseau
de
diffraction
λ1
λ2
λ3
- 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
Faisceau multiplexé en longueur d'onde
7
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)
•
Lasers auto organisés : cavités laser couplées
M1
Laser 1
- 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 2
M2
M2'
M1'
8
4
Techniques de couplage cohérent de lasers (2/3)
Lasers auto organisés : lasers à fibres multicœurs
•
3 supermodes qui peuvent se propager
dans la fibre à 6 cœurs (QinetiQ)
Fibre microstructurée à 6 cœurs dopés (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
9
Combinaison cohérente de lasers par contrôle actif de la
phase
•
Principe des techniques de combinaison cohérente de faisceaux par
contrôle actif de la phase:
n-1
modulateurs
de phase
…
injecteur
…
n ampli.
fibrés
Coupleur
1 vers n
Optiques
de sortie
Analyseur
de phase
Boucle de
rétroaction
•
•
•
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
10
5
Combinaison cohérente de lasers par contrôle actif de la
phase – Taux de remplissage de la pupille de sortie
•
Importance de l’optique de collimation:
11
Combinaison cohérente de lasers par contrôle actif de la
phase – Avantage par rapport à la combinaison cohérente
•
Comparaison incohérent/cohérent
12
6
Etat de l'art de la combinaison cohérente par contrôle actif
de la phase
•
Combinaison cohérente par contrôle actif de la phase
- 725 W = 5*145 W en fibré (AFRL 2008)
- 48 fibres faible puissance combinées
(MIT Lincoln Lab 2006)
- record de puissance (combinaison de lasers à plaques) :
105,5 kW (Northrop Grumman 2009)
- d'autres applications sont possibles :
micro-pointage du faisceau, mise en forme de front d'onde
G.D. Goodno, H. Komine,
Opt. Lett. 31 (9) (2006)
Northrop Grumman
13
Techniques de combinaison cohérente par contrôle
actif de la phase
AOM
Reference
N-1 electro-optic
modulators
Multiplexage spatial
N fiber amplifiersCollimation
S.J.Augst et al., Opt.Lett. 29 (5), 474-476
(2004)
EO
Multiplexage en fréquence de
modulation
EO
MO
…
…
…
Splitter
1 to n
EO
T.M.Shay, Opt.Express 14 (25), 1201512021 (2006)
N-1 electro-optic
modulators
Signal processing and
control feedback
N fiber amplifiers
Collimating lenses
EO
•
MO
EO
…
…
…
Le mutiplexage en fréquence
de modulation permet de
mesurer les différences de
phase quand les faisceaux sont
superposés
Splitter
1 to n
EO
Reference
Signal processing and
control feedback
14
7
Montage expérimental pour la combinaison de trois
amplificateurs fibrés
GBF
Cos(w1.t)
Oscillo
asservisse
ment
Détection
synchrone 1
Collimateurs
fibrés
EO
Voie3
Cube
séparateur de
polarisations
50:50
injecteur
50:50
Voie réf.
ONERA
Voie1
Vers la
détection
synchrone
EO
asservisse
ment
Détection
synchrone 2
Optique de
grandissement
GBF
Cos(w2.t)
Caméra
15
Montage expérimental pour la combinaison de trois
amplificateurs fibrés
•
Montage expérimental
ONERA
ONERA
16
8
Montage expérimental pour la combinaison de trois
amplificateurs fibrés
•
Quand le contrôle actif de la phase est actif, la position de la figure
d'interférence en champ lointain se stabilise
17
Mesure du déphasage résiduel, facteur de qualité de la
combinaison
•
Mesure de la qualité de la combinaison cohérente
∆ϕ k RMS = 2
∆Vk RMS
Vk MAX
Déphasage résiduel
mesuré = λ/30
18
9
COAT – Coherent Optical Adaptive Techniques
•
COAT = Dénomination introduite dans les années 1970 - 1980
T.R. O’Meara, « The multidither principle in adaptive optics » J. Opt. Soc. Am. vol. 67, n°3,
pp. 306-315 (1977)
miroir défo
rmable
turbulence
laser
cible
détecteur
- techniques d’optique adaptative appliquées aux sources lumineuses cohérentes
- objectif = maximisation de la densité de puissance déposée sur la cible
- maximisation du flux rétroréfléchi / rétrodiffusé par une cible ponctuelle spéculaire
(« glint target »)
- tracking de cible démontré
- utilisation d’un unique faisceau laser et du flux rétrodiffusé par la cible
pas d’anisoplanétisme
19
COAT – Coherent Optical Adaptive Techniques
miroir défo
rmable
laser
turbulence
cible
détecteur
•
Multi-dithering = déformation différentielle de la surface pour
mesurer le gradient de la déformation du front d’onde qui
constitue le signal d’erreur pour l’asservissement
technique lente, difficilement applicable sur le terrain
•
Multiplexage de modulation = application de fréquences de
modulation différentes sur chaque sous-pupille
technique plus rapide, mais sensible aux turbulences retour
20
10
Combinaison cohérente sur une cible diffusante à travers la
turbulence – technique développée à l’Onera
Signal processing
and control feedback
EOM
Beam 3
Polarizing beam
splitter cube
(C)
λ/4
Polarizing beam
splitter cube
Scattering
Diffuse
surface
target
50:50
Oscillator
50:50
Reference beam
Beam 1
Collimated beams
Detector
(B)
EOM
(A)
Hot air blower
Signal processing and
control feedback
Vidéo 1 = Turbulence moyenne
(r0 = 30 mm) en (B),
(trajet aller et retour)
CCD Camera
Vidéo 2 = Turbulence forte (r0 = 11 mm)
en (A) (trajet aller seul)
puis
en (C) (trajet retour seul)
- Première démonstration de combinaison cohérente de
lasers à travers la turbulence en utilisant le signal
rétrodiffusé par la cible
- Très faible sensibilité à la turbulence retour
21
Combinaison cohérente sur une cible diffusante à travers la
turbulence – technique développée à l’Onera
•
Combinaison cohérente de 3 amplificateurs à fibres continus
de puissance 2 W en utilisant le multiplexage de fréquence de
modulation. En l’absence de propagation turbulente, la
différence de phase résiduelle est de λ/30.
•
La précompensation de la turbulence a été démontrée pour
des turbulences équivalentes à un Cn² = 10-14 sur un
kilomètre de distance de propagation.
•
Pour la première fois,
la combinaison cohérente
d’amplificateurs à fibres sur une surface diffusante après
propagation turbulente en utilisant le signal rétrodiffusé par la
surface a été démontrée. Dans ce cas, la différence de phase
résiduelle obtenue est de λ/15.
22
11
Combinaison cohérente sur une cible diffusante à
travers la turbulence – analyse théorique
Signal processing
and control feedback
EOM
Beam 3
Polarizing beam
splitter cube
(C)
λ/4
Polarizing beam
splitter cube
Scattering
Diffuse
surface
target
50:50
50:50
Oscillator
Reference beam
Beam 1
Detector
Collimated beams
(B)
(A)
EOM
CCD Camera
Signal processing and
control feedback
Signal d’erreur démodulé à la fréquence νi :
S Si _ I = 2 RPD J1 (β i )
Φu = phase en sortie du laser
non modulé (u = unmodulated)
 Pus Pis sin (φu − φi )

 N



(
)
(
)
+
J
β
P
P
sin
φ
−
φ
∑
0
j
js
is
j
i


 j =1

Φi = phase en sortie de la ième
voie laser
23
Combinaison cohérente sur une cible diffusante à
travers la turbulence – analyse théorique
Signal processing
and control feedback
EOM
Beam 3
Polarizing beam
splitter cube
(C)
λ/4
Polarizing beam
splitter cube
Scattering
Diffuse
surface
target
50:50
Oscillator
50:50
Reference beam
Beam 1
EOM
Detector
Collimated beams
(B)
(A)
CCD Camera
S Si _ I = 2 RPD J1 (βi )
Signal processing and
control feedback
turbulences aller
 Pus Pis sin (φu + ∆φu − φi −∆φi +ψ s ui )

M


N
∑


(
)
(
)
+
J
P
P
sin
+
∆
−
−
∆
+
β
φ
φ
φ
φ
ψ
s =1
js is
j
j
i
i
s ji 
 ∑ 0 j
 j =1

avec ψ s ui = ∆ϕ s u − ∆ϕ s i et ψ s ji = ∆ϕ s j − ∆ϕ s i
speckle + turb. retour
réduire l’ouverture de la détection annule les différences de phases générées
par la turbulence retour
24
12
Combinaison cohérente sur une cible diffusante à
travers la turbulence – conclusion
•
La combinaison cohérente sur cible diffuse à travers la
turbulence repose sur la réduction de l’ouverture du système
de détection sensibilité réduite aux turbulences retour
•
Configuration optique Onera = réduction de l’ouverture sans
réduire le champ du détecteur optimise le flux reçu par le
détecteur
•
Cette technique COAT permet de « traiter » des cibles de
natures très variées (du diffuseur Lambertien au spéculaire)
•
Elle permet de définir des architectures système simplifiées utilisation d’un unique laser pour la mesure de turbulence et le
dépôt de puissance sur cible
25
Techniques de montée en puissance dans les fibres
Une des principales techniques utilisées aujourd'hui pour monter en puissance dans les lasers à fibres
consiste à réduire le confinement de la lumière dans le cœur de la fibre :
- utilisation de fibres à gros cœur : fibre LMA (= Large Mode Area )
fibres dont le cœur a un diamètre de qq. dizaines de µm (ex. 30 µm)
- la contrepartie = fibre multimode plusieurs modes spatiaux transverses sont guidés
simultanément dans le cœur de la fibre
26
13
Simulation de la combinaison de lasers à fibres faiblement
multimodes
Champ proche
Champ lointain
Propagation
n fibres
• TF
• Propagation pas à pas
- propagation par TF accès uniquement au champ lointain
- propagation pas à pas accès au champ n'importe où, mais approximation par
des modes de Laguerre-Gauss :
  r 2 
E (r , φ ) = C  A   
  rz  


l/2
  r 2 
 A  r 2 
Llm −1  A    exp  −   
  rz  
 2  rz  





r2
cos (l φ ) exp  − ik
2 R z2


 exp (− i [kz − ψ − ψ 0 ])

27
Simulation de la combinaison de lasers à fibres faiblement
multimodes – influence du déphasage modal
Déphasage modal = déphasage entre modes transverses dans une même fibre
champ
proche
champ
lointain
(a) = 4 fibres monomodes transverses (100% LP01)
(b) = 67% LP01 + 33% LP11, pas de déphasage modal
(c) = 49% LP01 + 24% LP11 + 8% LP21 + 19% LP02 , pas de déphasage modal
(d) = 49% LP01 + 24% LP11 + 8% LP21 + 19% LP02 , mode LP02 déphasé de π
28
14
Simulation de la combinaison de lasers à fibres faiblement
multimodes
Champ proche
Champ lointain
Propagation
n fibres
• TF
• Propagation pas à pas
- Rechercher des configurations originales de combinaison multimodes permettant
d'accéder à un champ lointain optimal
- Evaluer l'impact du caractère multimode d'une fibre à gros cœur sur la qualité de la
combinaison cohérente
29
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
30
15
Perspectives
•
Amélioration de la bande passante de l’asservissement
(> 100 kHz)
•
Réalisation d’ expériences en turbulence quantifiée
•
Essais terrain
•
Extension de la technique à des cibles mobiles
•
Combinaison de sources fibrées de plus forte puissance
•
Combinaison de sources fibrées faiblement multimodes
31
16