Montée en brillance des réseaux de lasers à fibre : Nouvelle approche par diagnostic à contraste de phase dans une boucle d’optimisation

Brightness enhancement in tilled-aperture laser systems : Innovative method associating a phase-contrast like filter with an optimization loop

• Auteur / Autrice : David Kabeya
• Direction : Agnès Desfarges-Berthelemot, Vincent Kermene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Laurent Delage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Desfarges-Berthelemot, Vincent Kermene, Bruno Esmiller, David Sabourdy, Philippe Adam, Joël Benoist
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ammar Hideur, Éric Cormier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux laser -- Diffusion

Lasers à fibre

Lasers de puissance

Mots clés libres

Combinaison cohérente de laser

Laser à fibre

Coherent laser beam combining

Fiber laser

Résumé

Les méthodes de combinaison cohérente sont rapidement apparues comme très prometteuses dans la course à la puissance des sources lasers. Cela s’explique par le fait que la puissance autour de l’axe de propagation évolue selon une loi quadratique avec le nombre de faisceaux combinés. Mes premiers travaux ont porté sur la montée en puissance de pompage dans les systèmes de mise en phase passive par auto-organisation. Pour la première fois, nous avons mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement, qu’au-delà du seuil laser, le filtrage spectral intracavité dû à la structure interférométrique du système laser, est un des principaux facteurs limitant l’obtention de qualités de phasage élevées. L’augmentation du nombre d’émetteurs accentue la dégradation de l’efficacité de combinaison avec la montée en puissance, montrant l’incapacité de ce type de méthode à combiner efficacement un grand nombre d’émetteurs lasers de forte puissance. Par la suite, mes travaux ont porté sur l’étude d’une méthode innovante de phasage actif, mise au point à XLIM. Le principe de cette méthode associe un filtrage optique de type contraste de phase, à un algorithme d’optimisation réduisant les écarts de phases entre émetteurs. Les calculs et expériences ont mis en évidence la très faible sensibilité de la méthode au nombre d’émetteurs mis en jeu. Les démonstrations de combinaison cohérente de 7 à 37 émetteurs fibrés délivrant jusqu’à 5W chacun ont été faites. Ce dernier résultat constitue aujourd’hui un record en termes de nombre d’émetteurs combinés de manière active. L’efficacité de combinaison en champ lointain a été estimée à une valeur élevée de 94%, correspondant à une erreur de phase résiduelle d’environ λ/25. Le faible nombre d’itérations d’algorithme nécessaires pour converger a permis de corriger les fluctuations de phase sur une bande d’environ 1kHz.

Coherent laser beam combining techniques rapidly appeared highly promising in the field of ultra-high power laser sources. Indeed, the combined intensity around the propagation axis follows a quadratic law with the number of combined emitters. The first part of my work has been focused on passive phasing techniques, based on self-organization properties of coupled lasers. We have shown, both numerically and experimentally, that the intracavity filtering function due to the interferometric nature of the set-up, is an intrinsic reason for combining efficiency decrease far above laser threshold. The decrease goes steeper when the number of combined laser increases, making that kind of system inappropriate for coherently combining a large number of lasers delivering high power. The second part of my work consisted in studying an innovative active phasing method that associates a phase-contrast like filter with an optimization algorithm reducing phase errors between emitters. Both simulations and experiments showed the weak sensitivity of this method to the number of combined emitters. We demonstrated the phasing of 7 to 37 fiber lasers, delivering up to 5W each. To the best of our knowledge, this last result is the highest number of fiber lasers combined with an active phasing method. The combining efficiency has been estimated around 94%, corresponding to a residual phase error of λ/25. The weak number of algorithm iterations needed to reach the in-phase regime offered a bandwidth of approximately 1kHz.