Expériences pour la propagation d’un faisceau laser à travers de turbulence optique : Développement, analyse et applications

Experiments for Laser Beam Propagation through Optical Turbulence : Development, Analysis and Applications.

• Auteur / Autrice : Angel Fernandez
• Direction : Regis Barillé, Darío Gabriel Pérez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/06/2016
• Etablissement(s) : Angers en cotutelle avec Universidad técnica Federico Santa María (Valparaiso, Chili)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Moltech Anjou (Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers) - Institut des Sciences et Technologies Moléculaires d'Angers / MOLTECH-ANJOU
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Germàn Varas Siriany, Jaime A. Anguita
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Samuel Flewett, Germàn Varas Siriany

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Évapotranspiration

Processus stochastiques

Turbulence atmosphérique

Mots clés libres

Propagation d'un faisceau laser

Ondes optiques

Turbulence optique

Atmospheric turbulence

Atmospheric propagation

Laser beam propagation

Probability theory

Stochastic processes, ans statistics

Optical waves

Optical turbulence

Résumé

La turbulence atmosphérique générée par une différence de température entre le sol et l'atmosphère, provoque des effets sur les ondes optiques et présente un grand intérêt scientifique depuis de nombreuses années. Les distorsions du front d'onde optique induites par le résultat de la turbulence atmosphérique génèrent un étalement du faisceau au-delà de celles dues à la diffraction pure, à des variations aléatoires de la position du centre de gravité du faisceau, et à une répartition aléatoire de l'énergie du faisceau qui conduit à des fluctuations de l’irradiance.Ces effets ont des conséquences sur les communications optiques en espace libre (OFS), la désignation de cible, le LiDAR hyper spectral, et d'autres applications qui nécessitent la transmission d'ondes optiques dans l'atmosphère sur une grande portée.Tout au long de cette thèse, nous introduisons le concept général de la turbulence, en se concentrant sur la turbulence atmosphérique. Diverses expériences ont été réalisées, par exemple, la propagation de deux faisceaux parallèles dans les conditions de l'optique géométrique pour l'étude des paramètres de turbulence optiques. La même configuration optique a été utilisé pour étudier la meilleure fréquence d'échantillonnage pour la turbulence optique. En outre, nous avons indirectement mesuré l'évapotranspiration de couverts végétaux, pour laquelle nous tenons compte des fluctuations de l'indice de réfraction de la turbulence à travers les variations d’intensités du faisceau laser. Enfin, certaines expériences qui considèrent de nouvelles formes spatiale ou spectrale du faisceau ont également été développées, telles que le saut de mode et un super continuum spectral respectivement, montrant une réduction expérimentale des fluctuations de l'irradiance induite par la turbulence. Ces faisceaux ont une meilleure performance comme émetteur d'informations pour la communication optique en espace libre.

Atmospheric turbulence, generated by a differential temperature between the Earth's surface and the atmosphere, causes effects on optical waves that have been of great interest to scientists for many years. Wave front distortions in the optical wave induced by atmospheric turbulence result in a spreading of the beam beyond that due to pure diffraction, random variations of the position of the beam centroid, and a random redistribution of the beam energy within a cross section of the beam leading to irradiance fluctuations. Those effects have far-reaching consequences on astronomical imaging, free space optics (FSO) communications, remote sensing, laser satellite communication, astronomical imaging, adaptive optics, target designation, hyperspectral LiDAR, and other applications that require the transmission of optical waves through the atmosphere. Throughout this thesis, we introduce a globally concept of turbulence, focusing in atmospheric turbulence.Diverse experiments have been carried out, for instance, the propagation of two parallel thin beams under geometrical optics condition for studying the parameters of optical turbulence, and besides, the same optical configuration was used to investigate the best sampling rate for optical turbulence. Furthermore, we have measured evapotranspiration by remote sensing, in which we have heeded the fluctuations of the refractive index through the intensities of the turbulence. Finally, experiments which involve a new beam are also developed, such as phase-flipped Gaussian beam. This beam shows an experimental reduction on its irradiance fluctuations induced by the turbulence, which means that it has a high performance in optical communications. The experimental reduction aforementioned is proved through the comparison with the theory developed.