Système compact d'analyse des phases pour la combinaison cohérente de lasers à fibre et correction de phase par approche neuronale

Compact phase analysis system for coherent beam combining of fiber lasers and phase correction by neural approach

• Auteur / Autrice : Alexandre Boju
• Direction : Vincent Kermene, Agnès Desfarges-Berthelemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Paul Armand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Kermene, Agnès Desfarges-Berthelemot, Julien Leval, Géraud Bouwmans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Primot, Marc Brunel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Algorithmes optimaux

Cohérence (optique)

Lasers de puissance

Innovation

Faisceaux laser

Mots clés libres

Laser

Combinaison cohérente

Optimisation

Réseau de neurones

Laser

Coherent beam combining

Optimization

Neural network

Résumé

La production d’énergie dirigée est une des applications des sources lasers de très forte luminance. Associer puissance et directivité est un défi qui peut être relevé par des méthodes de combinaison cohérente de faisceaux lasers. Mes travaux de thèse s’inscrivent dans ce cadre-là, notamment celui des architectures de combinaison en champ lointain. Le contrôle des phases relatives de ces faisceaux lasers permet, par exemple, d’ajuster le front multifaisceaux pour pré-compenser les aberrations du milieu traversé jusqu’à une cible distante. Dans le système étudié lors de cette thèse, le contrôle des phases du réseau de faisceaux est réalisé à partir d’une boucle opto-numérique de réduction d’erreur qui repose sur un module d’analyse des phases et un algorithme dédié. La voie d’analyse des phases compacte (vingtaine de centimètres) intègre un diffuseur qui produit un champ d’interférences de l’ensemble des faisceaux selon une figure tavelée de distribution aléatoire mais dépendante de leur phase. Seulement quelques points de mesure intensimétrique y sont prélevés afin d’alimenter l’algorithme de correction de phase. Dans un premier temps, un algorithme, développé à XLIM, réalisant des projections alternées a été expérimenté, dans le prolongement des travaux de thèse de Jérémy Saucourt. Dans un second temps, un nouvel algorithme de type réseau de neurones a été conçu. Ces deux algorithmes sont robustes au bruit expérimental et réalisent le verrouillage des phases en moins de 10 corrections, quasi indépendamment du nombre de faisceaux lasers à gérer. Ces deux approches ont permis le verrouillage des phases de 100 faisceaux avec une erreur résiduelle de phase inférieure à λ/30, lors d’expériences sur bancs modèles. Elles ont ensuite été expérimentées avec succès sur une maquette de sept amplificateurs fibrés multi-watts. Nous avons pu démontrer leur capacité à verrouiller les phases sur n’importe quel jeu cible arbitraire, modulable en temps réel, avec une erreur résiduelle inférieure à λ/20 pour une bande passante proche de 2 kHz.

The production of directed energy is one of very high brightness laser sources applications.Associating power and directivity is a challenge that can be achieved by methods of coherent beam combining. My thesis works are in this context, in a tiled aperture configuration. The control of the relative phases of these beams allows, for example, adjusting the multi-beams wavefront to pre-compensate the aberrations of the travelled medium up to a distant target. In the system studied during this thesis, the phase control of the beam array is achieved using an error reduction loop based on a phase analysis module and a dedicated algorithm. The compact phase analysis module (twenty centimeters) incorporates a diffuser that produces an interference field of all the beams according to a speckled pattern with a random distribution that depends on their phase. Only a few intensity measurement points in the speckle feed the algorithm used for phase correction. First, an algorithm, developed at XLIM, performing alternate projections was tested, following Jérémy Saucourt's thesis work. Secondly, a new algorithm, based on neural network, was developed. These two algorithms are robust to experimental noise and achieve phase locking in less than 10 corrections, almost independently of the number of laser beams. These two approaches achieved phase locking of 100 beams with a residual phase error of less than λ/30, during principle experiments. They were then successfully tested on seven multi-watt fiber amplifiers. We showed their ability to phase lock on any target phases, scalable in real time, with residual error less than λ/20 and a bandwidth close to 2kHz