Combinaison cohérente d'amplificateurs à semi-conducteurs : applications au lidar atmosphérique et à l'imagerie acousto-optique

Coherent combination of semiconductor amplifiers : applications to atmospheric lidar and acousto-optic imaging

• Auteur / Autrice : Qin Liu
• Direction : Patrick Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry - Laboratoire Charles Fabry / Lasers
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Forget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Desfarges-Berthelemot, Michael Damzen, Myriam Raybaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Desfarges-Berthelemot, Michael Damzen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie

Lasers à semi-conducteur

Lidar

Interféromètres laser

Diodes laser

Mots clés libres

Combinaison cohérente

Diode lasers

Microlidars atmosphériques

Imagerie acousto-Optique

Coherent combining

Diode lasers

Atmospheric microlidar

Acousto-Optic imaging

Résumé

Les diode lasers sont compacts, robustes, efficaces et sont très demandés sur le marché commercial. Cependant, la puissance de sortie des dispositifs à diodes individuels est limitée par le seuil de dommage. La combinaison de faisceaux cohérents, basée sur l'interférence constructive, est une technique d'augmentation de la puissance tout en maintenant la qualité du faisceau des émetteurs combinés individuels. Ce travail vise le développement de configurations compactes basées sur la combinaison cohérente en régime Quasi-continu et la démonstration de leurs applications en microlidar atmosphérique et imagerie acousto-optique. La source laser est basée sur une diode laser monomode à 828 nm injectée dans deux amplificateurs optiques à semi-conducteurs évasées de haute luminance. La différence de phase entre les deux faisceaux est activement corrigée pour maintenir une stabilisation de phase à long terme. En raison du retard du projet de collabration avec le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), la démonstration de la source laser sur les applications lidar est réalisée à partir d'un microlidar atmosphérique conçu par la société Cimel Electronique. Une version simplifiée de la source laser basée sur la combinaison par polarisation des faisceaux issus des deux amplificateurs évasés (1 µs-10 kHz) est construite pour être compatible avec le microlidar. La puissance crête maximale transmise atteint 6,1 W en sortie du microlidar. Le profil de vapeur d'eau enregistré est en bon accord avec la mesure par radiosonde. Une autre source laser basée sur la combinaison cohérente de faisceaux issus de deux amplificateurs évasés a permis de produire une puissance crête de 8,9 W pour une durée de 100 µs à la cadence de 100 Hz. Elle a été utilisée dans une expérience d'imagerie acousto-optique à transformée de Fourier (FT-AOI) réalisée à l'Institut Langevin. Les premières images expérimentales ont permis de détecter deux inclusions d'encre absorbantes dans un hydrogel avec un bon rapport signal/bruit.

Diode lasers are compact, robust, and efficient which are in demand in the commercial market. However, the output power of individual diode devices are limited by the material damage threshold. Coherent beam combination, based on the constructive interference between coherent beams, is a power scaling technique that can improve the laser power while maintaining the beam quality of the individual combined emitters. This work targets the development of compact diode-laser-based setups based on coherent beam combination in QCW regime and the demonstration of their applications in atmospheric microlidar and acousto-optic imaging. The laser source is arranged in a master-oscillator power-amplifier configuration with a single-frequency distributed Bragg reflector laser at 828 nm injecting two commercial pulse-driven high-brightness tapered semiconductor optical amplifiers. The phase difference between the two beams is actively corrected to maintain long-term phase stabilization. Due to the delay of the project in collaboration with the Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), the demonstration of the laser source on lidar applications is conducted on an atmospheric microlidar designed by Cimel Electronique. A simplified version of the laser source based on the polarization beam combination of two tapered amplifiers (1 µs-10 kHz) is constructed to be compatible with the microlidar. The transmitted peak power reaches 6.1 W. The water vapor profile is successfully retrieved in good agreement with the radiosonde measurement. Another laser source based on coherent beam combination of two 100 µs-100 Hz tapered amplifiers with a maximal combined peak power of 8.9 W is applied to the Fourier Transform acousto-optic (FT-AOI) imaging setup in Institut Langevin. The first experimental acousto-optic images of two absorbing ink inclusions within a hydrogel are obtained with good signal-to-noise ratio.