Métrologie de surfaces d'onde pour la combinaison cohérente de faisceaux laser par la technique PISTIL (Piston and Tilt interferometry)

Wavefront metrology for coherent combination of laser beams by the PISTIL technique (piston and tilt interferometry)

• Auteur / Autrice : Thomas Rousseaux
• Direction : Jérôme Primot, Jean-christophe Chanteloup
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Interférométrie

Pistil

Métrologie

Combinaison cohérente

Laser

Interferometry

Metrology

Beam combining

Laser

Pistil

Résumé

Le projet ICAN (International Coherent Amplifying Network), promu par Gérard Mourou, prix Nobel 2018, a pour but de réaliser un laser ultra intense extrêmement puissant afin de accélérer les particules étudiées en physique fondamentale. Celui-ci remplacerait les accélérateurs actuels par des systèmes plus compacts et moins gourmands en énergie, et permettrait ainsi d'obtenir les niveaux d'intensité requis pour accéder à une physique nouvelle, au-delà du modèle standard. Etant donnée la forte puissance moyenne et crête imposée par cette application, l'utilisation d'un seul laser dans cette mission est parfaitement impossible, du fait des effets non linéaires. Ainsi, pour surpasser cette limitation, l'idée est d'utiliser plusieurs milliers de fibres lasers, amplifiées sous leur seuil de non linéarité, puis de combiner leurs faisceaux par interférences constructives en champ lointain. Toutefois, pour que ce système soit efficace, il faut que la phase et l'alignement de chaque fibre laser soient parfaitement connus et maîtrisés, en compatibilité avec les exigences de précision et cadence imposées par ce type de laser. Pour cela, il convient de mettre au point une technique collective adaptée à la mesure pour ces deux paramètres sur l'ensemble des fibres, en une seule mesure. De récentes études menées à l'ONERA, partenaire historique du projet ICAN, sur l'analyse des surfaces d'ondes morcelées ont abouti à une nouvelle version d'interféromètre, dénommé interféromètre PISTIL, adapté à la mesure simultanée d'un grand nombre de lasers, et compatible de l'application. Elle consiste à comparer, en une seule mesure, chaque morceau de surface d'onde avec ses voisins directs pour en extraire les informations de piston et de tilt relatifs. Appliquée à la surface d'onde morcelée décrite par la juxtaposition des faisceaux des fibres laser en champ proche, cette technique permet de quantifier collectivement et de façon rapide, précise et robuste les relations de phase de chacune des fibres. Ce travail fait l'objet d'une collaboration avec l'Ecole Polytechnique depuis une quinzaine d'années. Le projet XCAN (X Coherent Amplifying Network) constitue un jalon à court terme pour ce type de laser. En partenariat avec Thales et l'Ecole Polytechnique, il s'agit du développement d'un prototype comportant 61canaux amplifiés représentatifs du projet ICAN (impulsionnel court, haute énergie), réalisé à l'Ecole Polytechnique. Dès lors, une mesure précise des caractéristiques des faisceaux à cophaser (amplitude des défauts de phases typiques, cadences requises, ...) est nécessaire afin de pouvoir dimensionner correctement la contre-réaction à mettre en place pour faire fonctionner ce laser, puis de caractériser finement la qualité de faisceau obtenue. Il est envisagé de réaliser cette métrologie fine avec la technique PISTIL. L'objectif de cette thèse est l'approfondissement théorique et expérimental de la technique PISTIL dans son application aux lasers ultra-intenses. De plus, la technique sera évaluée comme brique de base d'un système de contrôle commande en temps réel des surfaces d'onde morcelées, en lieu et place des moyens utilisés actuellement. La mise au point de la technique sera menée à l'ONERA, sur des surfaces d'ondes représentatives du besoin, avant d'aller s'interfacer sur le banc de mesure XCAN pour des mesures sur faisceaux impulsionnel réels. Ces surfaces d'ondes représentatives sont : - Une surface segmentée calibrée nommée 'Chaussée des Géants' qui comporte des marches de phase comprises entre la fraction de longueur d'onde et plusieurs longueurs d'onde ; - Le banc LASBE, un laser obtenu par mise en cohérence de 7 fibres laser en régime continu. Les interférogrammes obtenus devront être analysés et comparés aux interférogrammes théoriques obtenus par simulation. Différentes techniques d'exploitation des interférogrammes devront être explorées. Un travail théorique et expérimental sur la technique devra être mené de façon à adresser les grandes dynamiques de tip/tilt et piston, en particulier en ce qui concerne les spécificités des faisceaux lasers femtoseconde. La robustesse et précision de la technique devra être évaluée pour ces cas précis. De façon plus générale, une évaluation du comportement de la technique sur une surface comportant des défauts quelconques devra être menée. Enfin, une étude sur les points forts et les points faibles de la technique devra être menée, de façon à proposer, puis explorer, des pistes d'amélioration originales. La thèse se fera au sein de l'équipe CIO (Composants et Instruments Optroniques), en lien avec Phasics, une PME innovante spécialisée dans l'imagerie de phase. Des collaborations avec les partenaires du projet XCAN, en particulier l'Ecole Polytechnique, ainsi qu'avec l'équipe de métrologie du LAM (laboratoire d'astrophysique de Marseille) sont également prévues.

The ICAN (International Coherent Amplifying Network) project, promoted by Gérard Mourou, 2018 Nobel Prize winner, aims to create an extremely powerful ultra-intense laser to accelerate particles studied in fundamental physics. This would replace current colliders with more compact and less energy-intensive systems, and would thus make it possible to obtain the intensity levels required to access new physics, beyond the standard model. Given the high average and peak power imposed by this application, the use of a single laser in this mission is perfectly impossible, due to the non-linear effects. Thus, to overcome this limitation, the idea is to use several thousands of laser fibers, amplified below their non-linearity threshold, and then to combine their beams by constructive far-field interference. However, for this system to be effective, the phase and alignment of each laser fiber must be perfectly known and controlled, in compatibility with the precision and rate requirements imposed by this type of laser. To do this, a collective technique must be developed that is adapted to measure these two parameters for all the fibers in a single measurement. Recent studies carried out at ONERA, a historical partner of the ICAN project, on the analysis of segmented wave surfaces have led to a new interferometer, called PISTIL interferometer (Piston and Tilt interferometer), adapted to the simultaneous measurement of a large number of lasers, and compatible with the application. It consists in comparing, in a single measurement, each segment of wave surface with its direct neighbors to extract the relative piston and tilt information. Applied to the segmented wave surface described by the juxtaposition of the laser fiber beams in the near field, this technique allows to quantify collectively and in a fast, precise and robust way the phase relationships of each of the fibers. This work has been the subject of a collaboration with the Ecole Polytechnique for about fifteen years. The XCAN (X Coherent Amplifying Network) project is a short-term milestone for this type of laser. In partnership with Thales and the Ecole Polytechnique, it involves the development of a prototype comprising 61 amplified channels representative of the ICAN project (short pulse, high energy), carried out at the Ecole Polytechnique. Therefore, a precise measurement of the characteristics of the beams to be cophased (amplitude of typical phase defects, required rates, ...) is necessary in order to correctly dimension the feedback to be implemented to operate this laser, and then to finely characterize the quality of the beam obtained. It is envisaged to carry out this fine metrology with the PISTIL technique. The objective of this thesis is the theoretical and experimental investigation of the PISTIL technique in its application to ultra-intense lasers. In addition, the technique will be evaluated as the basic building block of a real-time control system to control segmented wavefronts, instead of the means currently used. The development of the technique will be conducted at ONERA, on wavefronts representative of the need, before interfacing on the XCAN measurement bench for measurements on real pulse beams. These representative wave surfaces are : - A calibrated segmented surface called 'Giant's Causeway' which has phase steps between a fraction of a wavelength and several wavelengths ; - The LASBE bench, a laser obtained by coherence of 7 laser fibers in continuous regime. The obtained interferograms will have to be analyzed and compared to the theoretical interferograms obtained by simulation. Different techniques for exploiting the interferograms will have to be explored. A theoretical and experimental work on the technique will have to be carried out in order to address the large dynamics of tip/tilt and piston, with regard to the specificities of femtosecond laser beams. The robustness and precision of the technique will have to be evaluated for these specific cases. More generally, an evaluation of the behaviour of the technique on a surface with any defects will have to be carried out. Finally, a study on the strengths and weaknesses of the technique should be carried out, in order to propose and explore original ways of improvement. The thesis will be done within the CIO team (Optronic Components and Instruments), in connection with Phasics, an innovative SME specialized in phase imaging. Collaborations with the partners of the XCAN project, in particular the Ecole Polytechnique, and with the optical metrology team of LAM (CNRS) are also planned.