Laser digital et combinaison cohérente

Digital laser and Coherent Beam combination

• Auteur / Autrice : Claude-Alban Ranély-Vergé-Dépré
• Direction : Jean-Christophe Chanteloup
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....) - Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Chanteloup, Nicolas Forget, Donna Strickland, Baya Bennaï
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Finot, Nicolas Forget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vortex optiques

Lasers de puissance

Lasers femtoseconde

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Réseaux de diffraction

Lasers femtoseconde

Lasers de puissance

Vortex optiques

Ytterbium

Lasers à fibre

Laser

Coherent beam combining

Digital laser

Q-Plate

Vortex beam

Diffractive optical element

Résumé

La combinaison cohérente de lasers (CBC) est une approche architecturale innovante permettant la conception de sources laser efficaces associant puissances moyennes et crêtes élevées (kW/GW) tout en offrant une grande liberté quant à la mise en forme spatiale du faisceau résultant.Les amplificateurs à fibre dopée Ytterbium (Yb) permettent une très bonne gestion thermique grâce au rapport surface/volume élevé de la fibre (facilitant le refroidissement) et au rendement élevé rendu possible par les grandes longueurs d’interaction accessibles et le faible défaut quantique du dopant Yb. De plus, ces fibres présentent une largeur spectrale de gain supportant des durées d’impulsion allant jusqu’à quelques centaines de femtosecondes.Il est ainsi possible d’amplifier des trains d’impulsions femtosecondes à fort taux de répétition.Les deux prototypes étudiés dans cette thèse utilisent l’association de cette brique technologique avec l’architecture CBC. Le premier repose sur une pupille composite de 61 faisceaux juxtaposés offrant des caractéristiques de contrôle individuel de ses canaux et ayant permis d’introduire le concept de laser digital. Sa durée d’impulsion est réduite par une technique dite de “post-compression” non-linéaire permettant de conserver néanmoins ses propriétés digitales. Le second prototype à superposition de 7 pupilles est étudiée et développé pour son efficacité théorique plus importante.

Coherent Beam Combining (CBC) is an innovative architectural approach to designing efficient laser sources combining high average power and high peak power (kW/GW), while offering great flexibility in the spatial shaping of the resulting beam. Ytterbium (Yb)-doped fiber amplifiers offer excellent thermal management thanks to the fiber's high surface-to-volume ratio (facilitating cooling) and high efficiency made possible by the long interaction lengths accessible and the low quantum defect of the Yb dopant. Moreover, these fibers feature a gain spectral width that supports pulse durations of down to a few hundred femtoseconds. This makes it possible to amplify femtosecond pulse trains at high repetition rates. The two prototypes studied in this thesis use the combination of this technology with CBC architecture. The first is based on a composite pupil with 61 tiled beams, offering individual control of its channels and introducing the concept of digital laser. Its pulse duration is reduced by a non-linear ''post-compression'' technique, enabling it to retain its digital properties. The second prototype, with its superposition of 7 pupils, is being studied and developed for its greater theoretical efficiency.