A UTRES PARAMETRES INFLUANT SUR L ’ EFFICACITE DE COMBINAISON

La troncature des faisceaux par les optiques de collimation influe sur l’agencement géométrique en champ proche et, par conséquent, sur l’optimisation du taux de remplissage. Elle conduit à une apodisation des faisceaux et à une perte de puissance. Cependant, elle permet souvent d’améliorer la

densification de la pupille. Cette question a été traitée dans la littérature. Il s’avère que le rayon optimal

est légèrement supérieur à la taille du waist :1,13w0 d’après [6] dans une configuration carrée et 1,25w0

dans une configuration hexagonale d’après [12]. Dans la première référence, l’optimisation s’est faite par rapport au rapport de Strehl, tandis qu’elle se fait par rapport au taux de combinaison dans la deuxième. Au-delà de cette valeur, les faisceaux sont trop espacés, en deçà, la puissance perdue par la troncature est trop élevée. Pour notre part, nous avons considéré les faisceaux gaussiens comme ayant une étendue infinie et non tronqués par les optiques de collimation. Néanmoins, nous avons veillé à ne pas approcher les champs proches de moins de deux waists les unes des autres pour ne pas superposer les faisceaux. Or, la puissance perdue par troncature avec le rayon optimal est faible. Elle n’influe donc quasiment pas sur l’efficacité de combinaison. Notre hypothèse est donc valable.

D’autres paramètres telles que les erreurs de tolérance opto-mécaniques peuvent influencer l’efficacité de combinaison. Ils occasionnent notamment des erreurs de pointé et, potentiellement, un mauvais recouvrement des faisceaux. Le lecteur intéressé se reportera, entre autres, à la référence [13] pour l’influence de ces paramètres.

C

Dans ce chapitre, nous nous sommes attaché à l’étude de l’efficacité de la combinaison cohérente de N faisceaux monomodes. Pour cela, nous avons développé un code de simulation numérique permettant de calculer la figure d’interférence, en champ lointain ou à une distance z donnée, en fonction de paramètres ajustables déterminant la configuration en champ proche.

Nous jugeons l’efficacité de la combinaison cohérente par l’évaluation de plusieurs critères de qualité. Nous avons retenu quatre principaux critères : rapport de Strehl, taux de combinaison, BPF et MEP. Nous avons introduit ce dernier critère, orienté vers le besoin applicatif, afin de disposer d’un critère qui ne dépende que de la cible visée et non de la définition du système. L’ensemble de ces critères peut être compléter par des critères additionnels afin d’avoir une information plus précise sur la figure d’interférence notamment sur la répartition et la densité de puissance des différents lobes.

De nombreux paramètres influent sur l’efficacité de la combinaison cohérente. En premier lieu, on trouve les relations de phase entre les émetteurs individuels qui sont déterminantes pour avoir des interférences constructives. Nous avons également évalué l’impact de la différence de phase résiduelle sur la qualité. Par ailleurs, la configuration géométrique est aussi un facteur très important. Il faut pouvoir densifier au maximum la pupille pour s’assurer une bonne qualité de combinaison. Il faut donc maximiser le taux de remplissage de la pupille par un choix adéquat des optiques de collimation, en privilégiant si possible un arrangement de la matrice de forme hexagonale et optimiser le nombre d’émetteurs par rapport à la taille de la pupille. Le troisième paramètre concerne la répartition de puissance entre les émetteurs. Son influence est moins prononcée mais tout de même importante si l’on considère non pas l’efficacité relative de la combinaison mais sa qualité absolue en termes de puissance contenue dans une zone d’intérêt. Enfin, la définition d’un système dépend de l’application visée et du critère privilégié. Elle nécessite souvent un compromis entre plusieurs paramètres, notamment entre le nombre de fibres et la répartition de puissance.

B

[1] J.R. Leger, “Surface Emitting Semiconductor Lasers and Arrays”, Chap.8: External Methods

of Phase Locking and Coherent Beam Addition of Diode lasers. Editor G.A. Evans and J.M. Hammer, Academic Press, 1993

[2] P.Zhou, Z. Liu, X. Xu, Z. Chen, “Numerical analysis of the effects of aberrations on

coherently combined fiber laser beams”, App. Opt. 47, pp. 3350-3359, 2008

[3] D. Marcuse, “Loss analysis of single-mode fiber splice”, Bell Syst. Tech. J. 56, pp. 703, 1977

[4] H. Kogelnik and T. Li, “Laser beams and resonators”, Appl. Opt. 5, pp. 1550-1567, 1966

[5] A.E. Siegman “How to (maybe) measure laser beam quality”, Tutorial presentation at the

Optical Society of America Annual Meeting, Long Beach, 1997

[6] S. Demoustier, “Recombinaison cohérente de fibres laser”, Thèse de doctorat, Université Paris

XI, 2006

[7] J. Lhermitte, “Auto-synchronisation et combinaison cohérente de lasers à fibre”, Thèse de

doctorat, Université de Limoges, 2008

[8] http://www.darpa.mil/mto/programs/adhels/, Architecture for diode high energy laser systems

(ADHELS)

[9] G.D. Goodno, C.P. Asman, J. Anderegg, S. Brosnan, E.C. Cheung, D. Hammons, H. Injeyan,

H. Komine, W.H. Long Jr., M. McClellan, S.J. McNaught, S. Redmond, R. Simpson, J. Sollz, M. Weber, S.B. Weiss and M. Wickham, “Brightness-scaling potential off actively phase- locked solid-state laser arrays”, Invited paper in IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, pp. 460-472, 2007

[10]M.J.E. Golay, “Point arrays having compact, nonredundant autocorrelations”, J. Opt. Soc. Am.

61, pp. 272-273,1971

[11]C.D. Nabors, “Effects of phase errors on coherent emitter arrays”, App. Opt. 33, pp. 2284-

2289, 1994

[12]T.M. Shay, V. Benham, J.T. Baker, A.D. Sanchez, D. Piligton, D.J. Nelson and C.A. Lu,

“Narrow linewidth coherent beam combining of optical fiber amplifier arrays”, Proc. Of SPIE

6451, 64511N, 2007

[13]J.B. Shellan, “Phased-array performance degradation due to mirror misfigures, piston errors,

CHAPITRE III : ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBINAISON

COHERENTE DE SOURCES LASER ER-YB

INTRODUCTION...100 1 MODULATION FREQUENTIELLE AVEC REFERENCE INTERNE...100 1.1 RAPPELS ET PRINCIPE...100 1.2 ANALYSE THEORIQUE DE LA MODULATION FREQUNETIELLE...101 1.3 CHOIX DES PARAMETRES DE MODULATION ET DE LA BOUCLE DE CONTRE-REACTION...102 2 EXPERIENCE PRELIMINAIRE : ETUDE DES FLUCTUATIONS DE PHASE DANS LES AMPLIFICATEURS A FIBRE...103 2.1 DESCRIPTIF DU BANC DE MESURE DES FLUCTUATIONS DE PHASE...104 2.2 RESULTATS OBTENUS...104 3 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE DE LA COMBINAISON COHERENTE...106 3.1 CHOIX DES ELEMENTS DU DISPOSITIF...106 3.1.1 Choix des fréquences de modulation...106 3.1.2 Choix du modulateur de phase ...107 3.1.3 Choix de la collimation ...107 3.2 MONTAGE EXPERIMENTAL DE COMBINAISON COHERENTE...109 3.2.1 Description du dispositif expérimental...109 3.2.2 Présentation du signal reçu par le photodétecteur ...110 3.2.3 Présentation de la carte d’asservissement numérique...111 3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX...112 3.3.1 Figure d’interférence ...112 3.3.2 Quantification de l’erreur de phase résiduelle ...114 3.4 APPLICATION DE LA COMBINAISON COHERENTE A LA MICRO-DEVIATION DE FAISCEAU...117 CONCLUSION...119 BIBLIOGRAPHIE...120

ER - YB

I

Nous avons présenté au Chapitre I les différentes techniques de combinaison de sources laser. Notre choix s’est porté sur la combinaison cohérente par contrôle actif de phase car elle offre le plus de possibilités en vue de l’élaboration de systèmes laser. Parmi toutes les méthodes déjà présentées, nous avons choisi de contrôler la différence de phase entre les différentes voies par une technique de marquage par modulation fréquentielle, une voie étant utilisée comme voie de référence. En effet, cette technique ne nécessite qu’un seul détecteur lorsque les faisceaux sont superposés. Elle présente l’avantage de faciliter l’alignement du système et de pouvoir être plus facilement applicable en pratique.

Dans ce chapitre, nous allons mettre en œuvre expérimentalement la combinaison cohérente de 3 amplificateurs laser à fibre Er-Yb émettant à 1,5 µm. Nous reviendrons, tout d’abord sur la technique de marquage par modulation fréquentielle avec référence interne afin de choisir les paramètres de modulation et de la boucle de contre-réaction opto-électronique. Ensuite, nous présenterons une expérience préliminaire permettant de caractériser les fluctuations de phase dans un amplificateur Er- Yb commercial. Cette étude permettra de dimensionner la bande passante nécessaire à l’électronique d’asservissement. Puis, nous conclurons par la présentation du dispositif expérimental et l’analyse des résultats en termes de stabilité du champ lointain et de quantification de l’erreur de phase résiduelle.