Auto-synchronisation et combinaison cohérente de lasers à fibre PDF Download
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Book Description
La montée en puissance dans les lasers ou amplificateurs à fibres unimodales s’accompagne d’effets non linéaires, liés au fort confinement spatio-temporel du champ dans le guide, qui sont souvent préjudiciables à l’amplification. L’objectif de la thèse est d’étudier l’amplification en parallèle dans les fibres optiques et la recombinaison des champs issus de ces différents amplificateurs. Deux architectures ont été étudiées : Une première configuration interférométrique exploite un filtrage du spectre de fréquences temporelles émis par le laser ramifié pour réaliser la sommation cohérente des champs sur la voie commune de l’interféromètre laser. Les régimes de fonctionnement continu, déclenché et à synchronisation de modes ont été étudiés. Une seconde architecture laser réalise par filtrage spatial interne au résonateur un verrouillage des phases de l’ensemble des amplificateurs disposés en parallèle. Les multiples émissions cophasées sont alors combinées en champ lointain.
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La montée en puissance dans les lasers ou amplificateurs à fibres unimodales s’accompagne d’effets non linéaires, liés au fort confinement spatio-temporel du champ dans le guide, qui sont souvent préjudiciables à l’amplification. L’objectif de la thèse est d’étudier l’amplification en parallèle dans les fibres optiques et la recombinaison des champs issus de ces différents amplificateurs. Deux architectures ont été étudiées : Une première configuration interférométrique exploite un filtrage du spectre de fréquences temporelles émis par le laser ramifié pour réaliser la sommation cohérente des champs sur la voie commune de l’interféromètre laser. Les régimes de fonctionnement continu, déclenché et à synchronisation de modes ont été étudiés. Une seconde architecture laser réalise par filtrage spatial interne au résonateur un verrouillage des phases de l’ensemble des amplificateurs disposés en parallèle. Les multiples émissions cophasées sont alors combinées en champ lointain.
Author: Adrian Azarian Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les lasers à fibre suscitent un grand intérêt dans tous les domaines, pour des applications allant du médical aux télécommunications, car ils permettent d'obtenir une bonne cohérence spatiale et temporelle et sont compacts et robustes. La limite se situe dans le domaine des lasers à fortes puissances. La combinaison de plusieurs sources lasers est alors une solution prometteuse pour surpasser les limites individuelles de ces sources, en particulier les techniques de combinaisons cohérentes de faisceaux. Dans cette famille de combinaison, la technique de contrôle actif de la phase par marquage en fréquence est particulièrement intéressante, mais deux limitations majeures ont été identifiées : le cas du régime impulsionnel ainsi que le nombre limité de voies pouvant être mise en phase. Dans cette thèse des solutions sont proposées pour lever ces limitations. Dans un premier temps, nous avons réalisé la première démonstration expérimentale d'une combinaison cohérente impulsionnelle utilisant cette technique. Ensuite, en adaptant des techniques de codage orthogonal issues du domaine des télécommunications, nous avons augmenté le nombre de voies pouvant être combinées. Un outil de simulation du système a été développé pour étudier l'utilisation des techniques de codage et pour étudier la propagation des faisceaux à travers la turbulence atmosphérique. Pour évaluer les performances des systèmes à grand nombre d'émetteur, nous avons mis en place une méthodologie, basée sur l'utilisation de plans d'expériences et de métamodèles, permettant d'identifier les fibres ou les interactions entre fibres les plus influentes, en fonction des paramètres initiaux de la combinaison.
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Les propriétés intrinsèques de la fibre optique utilisée comme milieu à gain en font un candidat idéal pour le développement de sources laser de haute puissance, aujourd’hui capable de rivaliser avec les lasers à état solide, tout en apportant ses avantages propres : robustesse, efficacité, qualité de faisceau potentielle, gestion de la thermique, compacité et tenue à l’environnement. Les domaines d’application sont nombreux : industrie ( usinage, marquage), défense ( télémétrie, imagerie), environnement (lidar), communications en espace libre, recherche fondamentale...Cependant, certaines applications nécessitent des puissances ou énergie encore supérieures à ce que peut délivrer une seule fibre associée à une bonne qualité de faisceau. Pour contourner cette difficulté, l’approche abordée ici est de répartir l’amplification sur plusieurs fibres lasers, puis de recombiner les faisceaux en espace libre. Ce travail est préparatoire à une nouvelle génération de lasers hyper-intenses et a été réalisé dans le cadre du projet ANR CAN, collaboration entre LOA,IOGS ,Thales R&T et Onera. Suivant le dimensionnement défini par l’étude théorique de la combinaison cohérente de faisceaux laser, un toron de 64 fibres collimatées chacune par une petite lentille est conçu puis réalisé technologiquement. Par extension de l’idée de l’interféromètre à décalage quadri-latéral, une méthode de mesure collective et auto-référencée de la phase des fibres mise au point. Enfin, une technique originale et auto-adaptative de mise en phase par holographie numérique est présentée et validée expérimentalement.
Author: Johan Boullet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 276
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Ce mémoire présente les premières démonstrations expérimentales de combinaison cohérente en champ proche et en champ lointain dans des lasers à fibre à profil de gain discrétisé. Ces architectures permettent de repousser le seuil d’apparition des effets non-linéaires, limites fondamentales de la montée en puissance. Deux architectures sont étudiées théoriquement et expérimentalement : La première est construite autour d’une fibre à deux coeurs parallèles dopés ytterbium, localement couplés par fusion étirage. Nous démontrons la combinaison cohérente par voie interférométrique de 96% de la puissance laser sur le mode fondamentale gaussien d’un des coeurs. La seconde architecture proposée est bâtie autour d’une fibre à deux coeurs concentriques couplés tout au long de la fibre, de large section dopée de 385μm2, permettant une absorption de la puissance de pompage de 10W/m. La combinaison cohérente des rayonnements sur le seul coeur central a été démontrée avec une efficacité de 90%.
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Il existe un besoin de sources laser de puissance afin d'augmenter la portée et la sensibilité des systèmes pour des applications civiles ou militaires. Les technologies à fibre permettent d'obtenir des lasers de puissance de bonne qualité. Or, l'énergie extractible d'un laser à fibre de forte luminance est limitée. La combinaison de plusieurs sources est une solution prometteuse pour accroître les niveaux de puissance et ainsi surpasser les limites individuelles. Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer, de manière théorique et expérimentale, le potentiel de la combinaison cohérente par contrôle actif de phase des lasers à fibre. Au-delà de la montée en luminance, ce contrôle offre d'autres possibilités telles que la micro-déviation de faisceau ou la déformation du front d'onde du faisceau combiné. Une analyse théorique a été effectuée en tenant compte des contraintes « système ». Pour cela, des critères de qualité ont été mis en œuvre afin de juger de l'efficacité de combinaison. Après avoir mis en phase trois amplificateurs, nous avons utilisé notre système pour compenser la turbulence atmosphérique présente sur le trajet des faisceaux jusqu'à la cible visée. Nous avons ainsi réalisé une démonstration de principe de combinaison cohérente sur cible en utilisant le signal rétrodiffusé. Nous avons également étudié l'influence de l'utilisation de fibres LMA faiblement multimode sur l'efficacité de combinaison. Afin de déterminer leur potentiel et les compromis à effectuer, nous avons développé un modèle permettant d'évaluer l'impact du caractère faiblement multimode sur l'efficacité de combinaison. Cette étude a été complétée par des travaux expérimentaux
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Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la combinaison cohérente de lasers à fibre par voie passive. L'architecture laser étudiée est une configuration à émetteurs multiples où la mise en phase des faisceaux émis est réalisée à partir d'un filtrage spatial intracavité associé aux propriétés d'auto-organisation des lasers, pour une recombinaison en champ lointain des multiples faisceaux émis. Les résultats expérimentaux obtenus montrent que cette technique de combinaison est tout à fait compatible avec la génération de fortes puissances. De plus, une étude expérimentale a permis de montrer qu'elle bénéficie d'une dynamique de cophasage rapide. Toutefois, une étude numérique et expérimentale confirme que cette technique passive de mise en phase ne peut combiner efficacement qu'une dizaine d'émetteurs. Une nouvelle architecture à rétroaction multiple a donc été proposée. Des premiers résultats numériques très prometteurs ont été obtenus et montrent un apport très significatif de cette nouvelle architecture.
Author: Badr Mohamed Ibrahim Shalaby Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 224
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La montée en puissance dans les lasers ou amplificateurs à fibres uni-modales s’accompagne d’effets non linéaires, de dommage sur les faces de la fibre à cause d’une petite aire effective dans les guides amplificateurs classiques. L’objectif de ma thèse a été d’étudier l’exploitation, au sein de lasers, de fibres amplificatrices de large section, telle qu’une fibre multimodale ou une fibre à coeurs multiples tout en assurant la génération de faisceau de bonne qualité spatiale. Tout d’abord, j’ai étudié numériquement et expérimentalement le processus de l’auto-imagerie dans une fibre de grande aire modale dans une configuration laser en anneau unidirectionnel. J’ai successivement considéré une fibre multimodale (FMM) puis une fibre à coeurs multiples (FMC). Cette configuration réalise un filtrage spatial sur le champ proche en utilisant une boucle de rétroaction par une fibre monomode. Nous avons aussi étudié numériquement et expérimentalement l’excitation du mode fondamental et la combinaison linéaire de plusieurs modes guidés dans une architecture de laser qui réalisait un filtrage spatial sur le champ lointain. La dernière partie, consiste en une étude expérimentale de la combinaison cohérente de deux fibres multicoeurs parallèles en utilisant à la fois une excitation sélective et un filtrage du champ lointain.
Author: François Jeux Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 157
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Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à développer une architecture laser multivoie innovante pour la génération d'une matrice de 20 faisceaux mis en plase de manière auto-organisée. La configuration explorée a pour but de dépasser les limitations des techniques de combinaison cohérente passive dites standard, pour lesquelles, la qualité de mise en phase des faisceaux émis se dégrade rapidement avec l'augmentation du nombre de voies lasers (~10). Elle utilise des cavités fibrées annulaires disposées en parallèle et couplées par un filtre original d'amplitude et de phase. L'apport de cette architecture est dû au dispositif de couplage qui va lier la phase des champs à leurs amplitudes respectives. C'est le degré de liberté supplémentaire sur les amplitudes qui va mettre à contribution des non-linéarités résonnantes dans les amplificateurs conduisant à une modification de la phase en fonction de l'intensité incidente. Certains écarts de phases linéaires sont alors compensés améliorant par la même la qualité de mise en phase. Des simulations numériques du fonctionnement de la cavité laser multivoie ont en effet montré une amélioration de la qualité de mise en phase d'un facteur 2 lorsque l'on considère 25 lasers couplés. Dans une configuration expérimentale à 9 lasers couplés, une qualité de mise en phase record de 90% a été démontrée accompagnée d'une stabilité accrue du faisceau émis.
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Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur le développement de combinateurs de signal permettant de réaliser la combinaison incohérente de lasers à fibre monomodes de haute puissance. L'objectif principal est de comprendre l'influence des différents paramètres de conception d'un combinateur sur le facteur de qualité de faisceau obtenu à sa sortie. D'abord, une première section aborde la propagation des faisceaux laser en espace libre. On y présente comment calculer le facteur de qualité de faisceau en fonction d'un profil de champ électrique donné. Une seconde section s'attarde ensuite aux fibres optiques et introduit les principales notions nécessaires à la compréhension de ces travaux. Une troisième section porte sur l'utilisation de fibres optiques effilées en tant qu'adaptateurs modaux. On y expose comment faire varier les propriétés des modes en utilisant des composants effilés. L'analyse théorique des combinateurs de signal est ensuite effectuée. Des simulations numériques sont réalisées afin de déterminer l'influence des principaux paramètres de conception sur la qualité de faisceau obtenue en sortie d'un combinateur. Le facteur de rétrécissement des fibres optiques, la longueur de la zone de rétrécissement et les propriétés de la fibre multimode utilisée sont analysés en détail. La valeur optimale de chacun de ces paramètres est déterminée pour le cas où 7 fibres de type (15-125-0.10) sont utilisées pour former le combinateur. Il est démontré que la limite théorique de qualité de faisceau d'une telle configuration est de M2 = 2:8. Une dernière section porte sur la fabrication de combinateurs de signal en laboratoire. Une série de combinateurs à 7 fibres d'entrée dont le facteur de qualité de faisceau moyen est de M2 = 3:95 a été fabriquée. Ces combinateurs sont caractérisés par des pertes d'insertion situées entre 0.9% et 1.3 % et leurs propriétés thermiques démontrent qu'ils pourraient être utilisés pour combiner une puissance totale de 6 kW.
Author: Jérôme Lhermite
Author: Jérôme Lhermite
Author: Adrian Azarian
Author: Cindy Bellanger
Author: Louis Daniault
Author: Johan Boullet
Author: Baya Bennaï
Author: Julien Guillot
Author: Badr Mohamed Ibrahim Shalaby
Author: François Jeux
Author: Pier-Luc Fortin