Dans ce chapitre, nous avons ´etudi´e le contrˆole du front d’onde en entr´ee de fibres multimode et multi-cœurs par holographie num´erique dynamique. Cette technique a permis la g´en´eration d’un faisceau monomode poss´edant un M2 de 1,2 `a partir d’une fibre multimode de 30 µm de diam`etre de cœur et d’ouverture num´erique 0,07. Des simulations num´eriques ont ´et´e r´ealis´ees sur cette mˆeme fibre et ont montr´e qu’une correction n’´etait pas possible en pr´esence de gain. Nous avons ensuite appliqu´e la technique de correction du front d’onde `a une fibre multi-cœurs dop´ee Yb. L’utilisation d’une source laser continue a permis de s’assurer que cette technique permet une correction du front d’onde du faisceau mˆeme en pr´esence de d´efauts de phase forts (sauts, vortex). Une amplification en r´egime impulsionnel a ´egalement ´et´e d´emontr´ee et un gain sup´erieur `a 20 dB a ´et´e obtenu avec une correction maintenue. Aucune auto-organisation n’a ´et´e observ´ee. L’´etude des m´echanismes d’auto-organisation semble montrer que nous n’´etions pas dans les conditions exp´erimentales les plus favorables pour en voir apparaˆıtre.
La technique de contrˆole du front d’onde par holographie dynamique est int´eressante `a de nombreux ´egards. Contrairement aux techniques it´eratives classiquement utilis´ees pour la mise en phase des fibres multi-cœurs, cette technique est d´eterministe. La boucle de contre-r´eaction se limite dans notre cas au simple cˆable vid´eo DVI permettant d’afficher l’image cam´era sur le SLM. La facilit´e de reconstruction de front d’onde est ´egalement tr`es appr´eciable, notamment dans le cas des fibres multimodes o`u les fronts d’onde poss`edent des d´efauts de phase complexes. Enfin, la technique est applicable `a tout type de fibre.
Cette technique poss`ede n´eanmoins des limitations. La principale d’entre elles concerne son efficacit´e, qui s’´el`eve au total `a 0,3 % environ. Mˆeme en am´eliorant le montage exp´erimental, le processus de correction reste limit´e par l’efficacit´e de diffraction maximale sur le SLM de 32 %. Pour ces raisons, il peut ˆetre int´eressant de s’int´eresser `a des techniques alternatives de correction. C’est l’objet du chapitre suivant, au cours duquel on d´etaillera les ´etudes men´ees
Partie II.5 - Contrˆole du front d’onde par holographie dynamique : bilan et perspectives 93
sur la mesure du contenu modal des fibres multimodes et sur l’utilisation d’algorithmes it´eratifs pour g´en´erer le front d’onde ad´equat `a injecter avant amplification.
94
Chapitre II - Contrˆole du front d’onde dans les fibres multimodes et multi-cœurs par
Chapitre III
Techniques alternatives de contrˆole
du front d’onde
Le chapitre pr´ec´edent a montr´e que l’holographie dynamique est une technique tr`es int´eressante pour la r´ealisation d’amplificateurs de grande aire effective `a base de fibre multi-cœurs. N´eanmoins, la principale limitation de ce principe de correction reste son efficacit´e faible. Dans ce chapitre, nous pr´esentons deux m´ethodes alternatives de pr´ecompensation du front d’onde dans des fibres multimodes et multi-cœurs. Les exp´eriences d´ecrites sont principale- ment des d´emonstrations de principe, permettant de valider ou d’invalider l’utilisation de ces m´ethodes.
III.1
Vers un syst`eme de correction plus efficace
Nous avons vu dans la conclusion du chapitre pr´ec´edent que les principales limitations en efficacit´e du syst`eme sont :
– le faible rendement de diffraction du modulateur spatial de lumi`ere dans l’ordre 1, dont la valeur maximale th´eorique est de 32 % et la valeur moyenne r´eelle est de 8 %.
– la pr´esence d’une sonde qui induit des pertes sur le faisceau avant injection et qui consomme une partie du gain disponible dans la fibre.
Surmonter ces limitations n´ecessite le d´eveloppement d’un nouveau sch´ema exp´erimental de correction. Pour m´emoire, nous avions d´ecrit dans le dernier paragraphe de la partie I.3.2 des dispositifs exp´erimentaux dont la probl´ematique ´etait similaire `a la nˆotre. Nous avions en particulier d´ecrit deux syst`emes. Le premier a ´et´e d´evelopp´e par la soci´et´e IMRA et permet la mise en phase des 37 cœurs d’une fibre multi-cœurs `a cœurs d´ecoupl´es non dop´ee `a l’aide d’un miroir segment´e [Ruehl 09]. Le second syst`eme est plus proche de notre probl´ematique et a ´et´e r´ealis´e par le laboratoire Xlim [Lhermite 10]. Il utilise un SLM dans l’ordre 1 de diffraction pour mettre en phase les 49 cœurs d’une fibre multi-cœurs `a cœurs d´ecoupl´es non dop´ee. Dans les deux exp´eriences, la mise en phase est ´evalu´ee `a partir d’une mesure de puissance et une boucle de contre r´eaction est n´ecessaire pour d´eterminer le d´ephasage `a appliquer sur chaque cœur. Elles ont par ailleurs ´et´e r´ealis´ees dans des fibres non-dop´ees et `a cœurs d´ecoupl´es, ce qui permet d’effectuer la mise en phase par un contrˆole d´eterministe (chaque cœur ´etant ind´ependant). Dans cette partie, l’id´ee est d’appliquer des principes relativement similaires (pr´e-compensation du front d’onde, mesure de la mise en phase en sortie et boucle de contre r´eaction), mais sur des fibres multimodes ou multi-cœurs `a cœurs coupl´es dop´ees.
La pr´esence d’une structure de modes (ou de supermodes) dans ces fibres rend plus probl´ematique la mise en place d’une correction d´eterministe. En effet, une structure de modes en sortie de fibre est d´efinie par un profil d’intensit´e et un profil de phase. Une correction d´eterministe doit donc g´en´erer les profils corrects en amplitude et en phase avant injection dans la fibre, de mani`ere `a injecter le conjugu´e du faisceau de sortie, comme dans le cha-
96 Chapitre III - Techniques alternatives de contrˆole du front d’onde
pitre pr´ec´edent. Outre une efficacit´e limit´ee (que ce soit lors d’une g´en´eration par holographie comme dans le chapitre pr´ec´edent ou par l’utilisation de deux SLM, un d’amplitude et un de phase), nous avons d’autre part d´emontr´e au chapitre pr´ec´edent que le gain modal pouvait poser probl`eme lors de ce type de correction (dans les fibres multimodes notamment), puisqu’il change le contenu modal du faisceau au cours de sa propagation. Une correction d´eterministe doit donc pouvoir pr´edire cette ´evolution, ce qui est tr`es difficile dans un cas exp´erimental r´eel. Le d´efi est donc double : d’une part nous allons utiliser un seul SLM en phase uniquement sans afficher d’hologramme pour obtenir une bonne efficacit´e, d’autre part, nous mettrons en place une correction non-d´eterministe.
Nous pouvons alors imaginer une nouvelle architecture exp´erimentale en accord avec ces orien- tations (cf. figure III.1). Pour limiter au maximum les pertes induites par le SLM, nous n’affi- cherons pas de motif diffractif sur le SLM. La modulation de phase sera effectu´ee sur le faisceau directement r´efl´echi, et pour lequel une r´eflectivit´e de 60 % a ´et´e mesur´ee. Apr`es r´eflexion sur le SLM, le faisceau est directement inject´e dans l’amplificateur. Une petite partie du faisceau amplifi´e est pr´elev´ee et son front d’onde est analys´e. Cette analyse sert de point de d´epart `a une boucle de r´etro-action, qui permet de d´eterminer le profil de phase `a afficher sur le SLM de mani`ere `a avoir un front d’onde plan en sortie.
Source laser SLM Analyse Pompe Fibre multimode Faisceau amplifié Boucle de rétro-action
Figure III.1: Sch´ema de principe d’une correction par pr´e-compensation du front d’onde avec le SLM utilis´e en r´eflexion simple (pas de motif diffractif).
Une telle architecture laisse entrevoir deux grandes possibilit´es de correction : l’une privil´egiant la simplicit´e de l’analyse et l’autre visant `a conserver une boucle de r´etro-action la plus simple possible. Dans le premier cas, on privil´egiera une mesure de puissance du faisceau corrig´e. Pour rendre compte de la plan´eit´e du front d’onde, cette mesure doit ˆetre effectu´ee dans le champ lointain de la face de sortie de la fibre. Du fait du manque d’information directe sur la phase, la r´etro-action est it´erative et met en jeu un algorithme de correction. Dans le second cas, on s’efforcera d’avoir une caract´erisation plus compl`ete du faisceau. Pour ce faire, l’analyse doit contenir toute l’information n´ecessaire au calcul de la carte de phase `a afficher sur le SLM pour avoir un front d’onde plan en sortie, et n´ecessite donc une mesure de la phase spatiale de l’onde. Cette mesure peut servir de point de d´epart `a une correction it´erative plus performante que la pr´ec´edente, puisque poss´edant plus d’informations. Ces deux approches seront d´etaill´ees dans les parties suivantes.