Technique par marquage optique

Cette méthode consiste à mesurer le déphasage entre chaque faisceau et un faisceau de référence qui est généralement un faisceau supplémentaire issu de l’oscillateur maître et qui ne participe pas à la figure d’interférence en champ lointain. L’oscillateur maître est donc séparé en N voies dont seulement N-1 sont amplifiées et combinées (Figure I. 31). On prélève une partie du faisceau global en champ proche, de manière à ce que les faisceaux de chaque voie soient encore séparés spatialement. Cette matrice de faisceaux interfère avec le front d’onde de référence, décalé en fréquence, en général par un modulateur acousto-optique. A l’aide de N-1 détecteurs placés en regard de chacune des voies, il est possible d’analyser le signal d’interférence par détection hétérodyne et ainsi remonter au déphasage de chacune des voies par rapport à la voie de référence.

Oscillateur maître Coupleur 1 vers N … … N-1 modulateurs de phase N-1 amplificateurs à fibre N-1 traitements du signal et boucles de contre-réaction … Collimation référence Décalage en fréquence … Oscillateur maître Coupleur 1 vers N … … N-1 modulateurs de phase N-1 amplificateurs à fibre N-1 traitements du signal et boucles de contre-réaction … Collimation référence Décalage en fréquence …

Figure I. 31 : Principe de la combinaison cohérente par marquage optique

Cette technique a été mise en oeuvre pour la première fois dans une configuration fibrée par l’université de Wien [50] dans le but de réaliser une antenne pour les communications en espace libre. Les auteurs combinent 3 fibres passives disposées aux sommets d’un triangle équilatéral. La référence est décalée de 40 MHz par un acousto-optique. Le contrôle de la phase s’effectue par étirement des fibres à l’aide de cales piézo-électriques. La boucle d’asservissement réussit à corriger les déphasages entre les voies et l’erreur de phase résiduelle est alors limitée par le bruit électrique de la chaîne de détection. On constate une baisse de 1% du rapport de Strehl par rapport à la valeur théorique attendue.

sont alignées. Les auteurs ont obtenu un rapport de Strehl de 83% ainsi qu’une différence de phase résiduelle de λ/30.

Figure I. 32 : Dispositif de combinaison cohérente de 48 fibres passives par marquage optique ainsi que les champs proche et lointain obtenus. [51]

Il est à noter que, dans le cas de fibres passives, les fluctuations de phase sont plus lentes. En effet, tous les déphasages rapides liés à l’échauffement des fibres dans les amplificateurs ou aux vibrations dues aux systèmes de refroidissement sont absents. La bande passante de l’asservissement peut être réduite. Dans l’expérience du MIT, la bande passante du système est limitée par la fréquence d’acquisition de la caméra qui est de 750 images par seconde. La bande passante est inférieure au kHz, elle serait donc insuffisante pour mettre en phase des amplificateurs. Pour cela, il faudrait une caméra avec une fréquence d’acquisition d’au moins 10 000 images par seconde.

La première expérience avec des amplificateurs a été réalisée par une autre équipe de MIT [49]. La combinaison de deux amplificateurs dopés Yb de 10 W chacun donne un contraste de frange supérieur à 90%. Par ailleurs, environ 50% de la puissance totale est contenue dans le lobe central, grâce à un taux de remplissage de la pupille élevé de 30%.

En France, cette technique a été étudiée par Thales Research and Technology [52]. Quatre amplificateurs à fibre dopée Er-Yb de 1 W chacun ont été combinés. La différence de phase résiduelle mesurée par leur système d’asservissement est de λ/100 et le rapport de Strehl de 49%. En théorie, selon leur configuration, celui-ci devrait être de 52%. Les auteurs justifient cet écart essentiellement par des défauts d’alignement des fibres.

Le record de puissance en configuration fibrée par marquage optique revient à l’équipe de Northrop Grumman [53] qui a mis en phase quatre amplificateurs Yb pour une puissance totale de 470 W. Plusieurs étages d’amplification sont nécessaires pour obtenir 118 W en sortie de chaque voie. Cette même équipe a publié en 2008 [54] la combinaison de 5 faisceaux disposés en ligne comme indiqué sur la Figure I. 33. La mise en phase des 5 faisceaux d’environ 30 mW chacun se fait classiquement par analyse des interférences entre la matrice de faisceaux et la voie de référence sur une matrice de 5 détecteurs. L’originalité tient à l’utilisation d’un élément d’optique diffractive (DOE) servant de recombineur en champ lointain. En effet, la configuration multi pupillaire a pour

conséquence la présence de lobes secondaires dans la figure d’interférence en champ lointain. Ces lobes comportent une partie de la puissance laser. L’utilisation d’un élément diffractif permet de superposer au final les lobes secondaires avec le lobe principal.

Figure I. 33 : Architecture de la combinaison cohérente de 5 amplificateurs utilisant un élément diffractif et champ lointain obtenu. [54]

Les auteurs obtiennent ainsi une puissance de 109 mW recombinée dans le lobe central, sur les 119 mW disponibles, soit 91% d’efficacité, les 9% restant étant réparti sur les 10 premiers ordres les plus proches. L’efficacité théorique estimée est de 96%, l’écart obtenu est dû aux défauts du DOE et de l’alignement de la matrice de fibres. Par ailleurs, le DOE agit comme un filtre spatial et le faisceau

recombiné est quasiment gaussien avec un M2 de 1,04. Bien sûr, comme dans les configurations mono

pupillaires, ce composant doit supporter toute la puissance optique ce qui en fait un élément très

sensible du montage. Cependant, sa tenue au flux de 20 kW/cm2 est bonne. Les auteurs envisagent

l’utilisation de DOE en réflexion pour la combinaison de faisceaux de forte puissance, ainsi que de DOE matriciels 2D pour augmenter le nombre de faisceaux pouvant être recombinés.

Enfin, il faut signaler le record de puissance combinée établi en 2009 par Northrop Grumman [55]. En utilisant l’architecture de la Figure I. 34, la combinaison de sept chaînes d’amplification de 15 kW chacune a permis d’obtenir une puissance record pour un laser solide de 105,5 kW. Il est important de noter que seule la pré amplification, jusqu’à 200W, se fait en configuration fibrée. Les derniers étages sont une chaîne de quatre amplificateurs à plaques Nd :YAG. En plus de la boucle d’asservissement à 4 kHz de mise en phase, chaque voie de 15 kW est corrigée de ses propres aberrations en sortie par optique adaptative à 6 Hz. Les pupilles de sortie sont rectangulaires pour densifier la pupille en champ proche et augmenter la fraction de puissance contenue dans le lobe central de la figure d’interférence.

(a)

Champ proche Champ lointain

(a)

Champ proche Champ lointain

Figure I. 34 : Architecture du dispositif de combinaison cohérente de lasers à plaques (a). Champ proche (b) et champ lointain (c) obtenus lors de la combinaison de deux faisceaux soit 19 kW de puissance totale. [55][56]

La technique de marquage optique a permis de nombreuses réalisations de combinaison cohérente de faisceaux. Cependant, elle semble plus délicate à mettre en œuvre pour un grand nombre de faisceaux puisqu’elle nécessite un détecteur par voie. Il est alors difficile de rendre compatible la séparation spatiale des faisceaux nécessaire à la mesure par les N-1 interféromètres avec un taux de remplissage de la pupille élevé nécessaire pour maximiser l’efficacité de combinaison. De plus, l’analyse de la phase ne peut se faire qu’en champ proche, lorsque les faisceaux sont encore séparés spatialement, ce qui limite les applications potentielles de cette technique telles que la pré- compensation de la turbulence atmosphérique comme nous le verrons au paragraphe 3.3.2.

Equipe Caractéristiques principales Champ proche Champ lointain Principaux résultats Remarques Université

de Wien [50]

• λ=1,06µm

• 3 émetteurs passifs au sommet d’un triangle équilatéral

• Décalage en fréquence de 40 MHz par un acousto optique

• Contrôle de la phase via des étireurs piézo-électriques

• Bande passante : 2 kHz

• Erreur de phase résiduelle limitée par le bruit électronique

• Diminution de 1% du rapport de Strehl

Première démonstration expérimentale de combinaison cohérente par contrôle actif de phase par marquage optique MIT Lincoln Lab (équipe Yu, Kansky) [51] • λ=785 nm

• 48 émetteurs passifs en matrice 2D

• Décalage en fréquence par étireur piézo-électrique

• Contrôle de la phase via des piézo- électriques

• Bande passante limitée (caméra à 750 images par seconde)

• Erreur de phase résiduelle =λ/30

• Strehl= 83% (diminution de 17%) Record en nombre de fibres combinées MIT Lincoln Lab (équipe Augst, Fan) [49][22] • λ=1,083 µm

• 2 amplificateurs 10W avec un taux de remplissage de la pupille de ~30%

• Décalage en fréquence de 100 MHz et contrôle de la phase par acousto- optique

• 50% de puissance dans le lobe principal

• Contraste des franges : 90%

Northrop Grumman [53][54] • λ=1 µm • 4 amplificateurs de classe 100W pour 470 W total

• Décalage en fréquence par un acousto-optique

•Contrôle de la phase via modulateurs de phase électro-optiques LiNbO3

• Bande passante : 10 kHz

• Erreur de phase résiduelle = λ/30

• 63% de puissance dans le lobe principal

Record en puissance par marquage optique. Démonstration à faible puissance de

l’utilisation d’un DOE comme combineur de faisceau : 91% d’efficacité et M²=1,04 Thales Research and • λ=1,5 µm • 4 amplificateurs de 1W (taux de remplissage = 21%)

•Erreur de phase résiduelle =λ/100

•Strehl= 49%