Interférométrie PISTIL pour le diagnostic de la combinaison cohérente de sources laser fibrées

PISTIL interferometry for the diagnosis of coherent beam combining of fiber lasers

• Auteur / Autrice : Bastien Rouzé
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Druon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Picart, Vincent Kermene, Marie Antier-Murgey, Cindy Bellanger, Frédéric Zamkotsian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Picart, Vincent Kermene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs à fibres optiques

Lasers à fibre

Interférométrie

Mots clés libres

Interférométrie PISTIL

Surface d'onde segmentée

Combinaison cohérente

PISTIL interferometry

Segmented wave front

Coherent Beam Combining

Résumé

La combinaison cohérente de sources laser fibrées et amplifiées (CBC) se présente comme une des solutions d'intérêt pour augmenter les puissances crêtes et moyennes des systèmes laser, ainsi que les rendre versatile grâce à de la mise en forme de faisceau. Pour réaliser une telle combinaison, il est nécessaire de connaître et de contrôler au moins le piston de phase de chaque faisceau. Pour gagner en efficacité, il faut aussi contrôler d'autres paramètres tels que les alignements des fibres (tips/tilts) ou les délais d'impulsion dans le cas des faisceaux ultracourts. Dans cette thèse, je propose d'utiliser l'interférométrie PISTIL pour mener un diagnostic de phase de ces systèmes laser CBC. L'interférométrie PISTIL a été conçue pour mesurer les variations de piston, tip et tilt d'une surface d'onde segmentée composée des NF faisceaux du champ proche d'un laser CBC. Je développe des principes de propagation des faisceaux dans l'instrument ainsi qu'un traitement des interférogrammes obtenus. Je présente ensuite trois expériences. La première, en laboratoire sur un miroir segmenté, a permis de valider à la fois les fonctions principales et les caractéristiques du concept. Les deux autres sont conduites sur deux lasers CBC, validant la maquette de l'instrument dans deux environnements représentatifs réels (en extérieur et en laboratoire utilisant un laser haute-puissance). Les prototypes PISTIL construits ont ainsi menés les premiers diagnostics de systèmes laser CBC en boucles ouverte et fermée.

Coherent beam combining of amplified fiber laser sources (CBC) is one of the solutions of interest to increase the peak and average power of laser systems, as well as to make them versatile through beam shaping. To achieve such a combination, it is necessary to know and control at least the phase piston of each beam. To gain efficiency, it is also necessary to control other parameters such as the fiber alignments (tips/tilts) or the pulse delays with ultrashort beams. In this manuscript, I propose to use the PISTIL interferometry to conduct phase diagnosis of such CBC laser systems. The PISTIL interferometry was designed to measure the piston, tip and tilt variations of a segmented wave surface composed of NF near-field beams of a CBC laser. I develop principles of beam propagation in the instrument and a computation of the interferograms. I then present three experiments. The first one, in laboratory on a segmented mirror, allowed to validate both the main functions and the characteristics of the concept. The two others are conducted on two CBC lasers, validating the instrument in two real representative environments (outdoor and laboratory using a high-power laser). The PISTIL prototypes have thus carried out the first diagnoses of CBC laser systems in open and closed loops.