Contexte et objectifs de la thèse

Un des éléments majeurs du cahier des charges, auquel doit répondre l'industrie spatiale, réside dans l'application de normes très strictes en termes de qualité et de traçabilité. En effet, le challenge est de concevoir des dispositifs et des instruments de mesure extrêmement fiables pouvant fonctionner pendant une longue durée en évitant toute maintenance.

Chapitre I - Etat de l’art de la diode laser de puissance

Les barrettes de DLPs empilées (ou Stacks) sont utilisés dans plusieurs programmes pour le spatial comme source de pompage des lasers solides, essentiellement les lasers Nd:YAG qui nécessite une pompe à 808nm fonctionnant en régime QCW (typiquement : durée de l’impulsion électrique : 50 à 200µs / fréquence : 10 à 100Hz) à une puissance crête de 100W par barrette. Ces composants représentent une partie majeure (~40%) du coût de l’instrument laser. La fiabilité et les performances constituent un point critique pour ces diodes de pompe en particulier pour un fonctionnent dans un satellite, en effet la défaillance occasionne un arrêt définitif de l’instrument laser.

Dans le Tableau I.4, nous avons répertorié les différentes missions spatiales dans lesquelles on trouve un instrument intégrant une composante à base de Laser.

Mission (Agence) Pompes Laser Date Durée de vie Apollo (NASA) Lampe Flash Q-switched ruby laser 1971 4 jours LITE (NASA) Lampe Flash Q-switched Nd:YAG 1994 220h CLEMENTINE (NASA) Diodes Laser frequency-doubled Nd:YAG 1994 3 mois SLA (NASA) Diodes Laser Q-switched Nd:YAG 1996 80h MOLA (NASA) Diodes Laser Nd:YAG 1996 687 jours GLAS (NASA-Goddard) Diodes Laser 2003 1,13×10⁹ Tirs CALIPSO (NASA-CNES) Diodes Laser Nd:YAG 2006 3×10⁹ Tirs SELENE (JAXA) Diodes Laser Nd Cr:YAG 2007 A ce jour ADM-Aeolus (ESA) Diodes Laser Nd:YAG, tripled 2011 xxx ALADIN Diodes Laser Nd:YAG, tripled 2011 xxx

Tableau I.4 – Liste des missions spatiales dans lesquelles on trouve un instrument intégrant une composante à base de Laser

Les tests de qualification des diodes laser de puissance pour le spatial est toujours en phase de standardisation. En revanche, dans un récent rapport interne de la NASA, rédigé par M.N. Ott et son équipe [32], on peut néanmoins connaitre les différents tests de qualification que la NASA utilise en interne pour qualifier les barrettes de DLPs empilées "Stacks" émettant à 808nm pour le spatial.

Dans le cadre du programme spatial d'observation de la Terre appelé "Planète vivante » [33], l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a planifié de mettre en orbite des instruments de mesure à base de laser solide pompé par des diodes de puissance (DPSSL). Parmi ces missions, "EarthCARE" (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) portera son attention sur les nuages, les minuscules particules de l’atmosphère – les aérosols – et leur influence sur le rayonnement atmosphérique. EarthCARE établira notamment des profils verticaux des aérosols naturels et issus de l’homme, enregistrera la répartition de l’eau et de la glace et leur transport par les nuages, et étudiera les interrelations entre les nuages et les pluies, ainsi que leur effet sur le rayonnement. Il sera possible d’en déduire des profils du réchauffement atmosphérique et du refroidissement par les nuages, à partir de la combinaison des aérosols mesurés et des éléments nuageux.

"EarthCARE" contribuera ainsi à une meilleure compréhension de notre climat et fournira de précieuses données pour les recherches dans ce domaine et pour les modèles numériques de prévision des phénomènes météorologiques. Pesant environ 1,7 tonne, le satellite doit être lancé en 2013. "EarthCARE" passera trois ans à prendre des mesures à partir d’une orbite polaire (97° d’inclinaison), à une altitude d’environ 400 km.

Astrium Allemagne est responsable de la gestion industrielle "d’EarthCARE", ainsi que des activités d’intégration et d’essais. Astrium UK fournit, pour sa part, la plate-forme satellitaire. Le satellite est équipé de quatre instruments – deux senseurs passifs et deux actifs –, qui fourniront un ensemble de données unique, dans le cadre d’une seule mission satellitaire. Astrium France fournit l’instrument laser actif ATLID, et Surrey Satellite Technology Ltd., filiale de Astrium, fournit l’imageur multi-spectral (MSI).

le programme ALADIN dans lequel l’instrument laser est appelé l’ATmospheric backscattered LIDar (ATLID) dans lequel l’émission ultra-violet du transmetteur du Lidar est issue d'un laser Nd :YAG triplé en fréquence et pompé par Stacks QCW émettant à 808nm en mode TE. Ces derniers restent un élément clé dans les lasers solide pompés par diodes (DPSSLs).

Dans le cadre d’un précédent programme nommé "ADM-Aeolus" (lancement reporté à 2013), l’étude de la fiabilité du laser a montré que les Stacks QCW émettant à 808nm sont suffisamment fiables pour répondre aux exigences du profil d'une telle mission [34]. Ces Stacks ont été fabriqués par Quantel Laser Diodes suivant une précédente technologie d’empilement et seront utilisés pour la première fois dans le concept du LIDAR ALADIN en intégrant une nouvelle technologie d’empilement des barrettes. Cependant, l’industrialisation de cette dernière est récente et l’utilisation de ces composants dans le domaine spatial nécessite de poursuivre l'évaluation de leur fiabilité et de rendre reproductible les processus de fabrication et de caractérisation. Pour cela, le cahier des charges proposé par Quantel Laser Diodes dans ce programme se base sur :

• La définition et la conception d'une technologie de Stacks QCW émettant à 808nm avec une durée de vie très importante (> 10×10⁹ tirs) démontré expérimentalement par des tests de vieillissement menés au sol.

• La maîtrise d'un processus de fabrication reproductible; ceci devant être démontré par la validation des contrôles appropriés, de traçabilité et des critères d'acceptation.

Ce programme va permettre de durcir la conception des Stacks QCW et de valider les processus de fabrication sachant que la technologie des Stacks QCW émettant à 808nm de Quantel Laser Diodes a montré auparavant une forte robustesse pour les conditions spécifiques de l'environnement spatial : vibrations mécaniques, chocs thermiques et radiations [34].

Cette thèse s'inscrit donc dans ce contexte avec pour principal objectif l’analyse de défaillance non destructive des diodes laser de puissance destinées au LIDAR « ATLID/Earth Care » à travers la

Chapitre I - Etat de l’art de la diode laser de puissance

mise en place d’une technique de caractérisation électro-optique basée sur l’émission laser de chaque émetteur de la barrette.

Cette technique sera aussi appliquée à d’autres types de composants réalisés par Quantel Laser Diodes dans une optique identique à celle accomplie sur les composants destinés au spatial. Le travail de recherche sera focalisé sur les objectifs suivants :

• Mettre en place un banc de caractérisation électro-optique, modulable aux différents types de barrettes de diodes laser, permettant de collecter le rayonnement émis par chaque émettre et de mesurer les paramètres électro-optiques suivants :

o la puissance optique émise à un courant donné, o le spectre optique d’émission stimulée,

o le degré de polarisation,

• Evaluer l’assemblage des barrettes par des simulations thermomécaniques et thermiques. • Mettre en place un critère pertinent de défaillance des DLPs pour les composants QCW

destinés à un fonctionnement visant de très longues durées de vie (>10ans).

• Proposer et valider une méthodologie de caractérisation des DLPs qui intervient juste après les étapes d’assemblage, cette méthodologie permettant alors d’évaluer les étapes critiques de l’assemblage en terme de contraintes mécaniques induites lors du processus d’assemblage. La validité de la méthodologie sera argumentée par les résultats obtenus au travers des tests de vieillissement en courant à température constante (25°C).

Le paragraphe suivant sera consacré à la description des composants étudiés et des différents types d’assemblage utilisés.