Combinaison cohérente de lasers à fibre

Les lasers à fibre suscitent un grand intérêt dans tous les domaines pour des applications allant de la découpe de métaux à la chirurgie en passant par la spectrométrie et bien sur les télécommunications. Cet intérêt se retrouve dans l’évolution du marché des lasers à fibre qui a augmenté de 114% entre 2008 et 2011. Bonne qualité spatiale et spectrale ainsi que compacité et robustesse sont les atouts majeurs des systèmes lasers à fibre. En effet, le faisceau reste confiné et guidé dans le cœur de la fibre et ne connaît donc pas de dégradation sur son trajet dans la fibre. De plus, cette propriété de guidage permet de fabriquer des systèmes compacts comparés aux lasers à cristaux solides et ne nécessitent aucune optique en espace libre, ce qui rend un tel système plus robuste. C’est dans le domaine des lasers à forte puissance que se situent les limites des technologies à fibre.

Les applications du secteur de la défense ainsi que les systèmes Lidar sont particulièrement étudiées à l’Onera. Elles nécessitent non seulement une bonne cohérence spatiale et temporelle des faisceaux, mais ont aussi un besoin toujours accru de puissance. Néanmoins, la puissance maximale d’un laser est fibre est limitée par les propriétés du matériau ainsi que par le seuil d’apparition d’effets non linéaires ou de dommages d’origine thermique qui peuvent endommager la fibre ainsi que dégrader la qualité du faisceau. Le récent développement de nouvelles fibres (Large Mode Area, fibres microstructurées…) a permis de repousser ces limites pour arriver en 2009 à une puissance de 10 kW dans une fibre dopée Ytterbium monomode et réalisée par la société IPG Photonics. Mais des études ont montré que l’on s’approche de la limite de la puissance maximale possible sans détérioration de la qualité de faisceau. A titre de comparaison, L’Air Force Research Laboratory indique avoir besoin d’une source de 100 kW en régime continu pour ces applications. La puissance maximale disponible aujourd’hui se trouve donc à un ordre de grandeur en dessous du besoin. De plus, la limite en puissance est bien plus basse pour des lasers à fibre émettant à 1,5 µm (le record en puissance n’étant que de 300 W) qui est une longueur d’onde présentant un plus grand intérêt pour les systèmes Lidar par exemple.

Pour augmenter encore la puissance des sources lasers à fibre, une solution est d’associer plusieurs sources lasers afin de dépasser leurs limites individuelles. Cette solution est la combinaison de faisceaux. Il s’agit ici de répartir l’amplification sur plusieurs lasers dont les faisceaux seront ensuite combinés tout en conservant autant que possible les bonnes propriétés spectrales et spatiales de chacun des lasers. Dans cette approche, on peut distinguer deux grandes familles: la combinaison incohérente et la combinaison cohérente.

Dans la combinaison incohérente, la technique la plus largement utilisée consiste à superposer via un élément dispersif plusieurs sources opérant à des longueurs d’ondes distinctes. Cette technique, mise en œuvre à l’université de Jena a permis d’obtenir 8,2 kW de puissance. Néanmoins, l’élément dispersif doit supporter toute la puissance de la source et son seuil d’endommagement est inférieur au 100 kW requis.

Dans la combinaison cohérente, le faisceau issu d’une source laser est séparé en différentes voies qui vont être amplifiés séparément puis recombinés. Il s’agit ici de faire interférer constructivement toutes ces différentes voies. Le contrôle de la phase de chacune des voies devient alors une des problématiques principales de ces techniques et peut se faire de manière passive et active. Les techniques de contrôle actif de la phase sont particulièrement intéressantes, car on peut imprimer une phase particulière sur chaque émetteur et ainsi déformer le front d’onde combiné. L’Onera a par ailleurs utilisé cette propriété pour précompenser les effets de la turbulence atmosphérique lors de la propagation des faisceaux jusqu’à une cible, pour maximiser l’énergie déposée sur celle-ci.

Cette technique de combinaison cohérente par contrôle actif de la phase présente néanmoins des limites. En particulier le nombre de voies qui peuvent être mises en phase (et donc la puissance totale de la source) est limité. De plus, seul le régime continu a pour l’instant été étudié et jamais deux impulsions ont été mises en phase par ce moyen. C’est ce qui justifie cette thèse qui a consisté à développer une nouvelle méthode pour combiner de manière cohérente des faisceaux et qui permette l’utilisation d’un plus grand nombre d’émetteurs dans tous les régimes de fonctionnement. De plus, nous proposerons également une nouvelle approche pour étudier un système à grand nombre de paramètres.

Un laser à fibre est un laser dont le milieu amplificateur est une fibre optique. Cette fibre est constituée d’une gaine diélectrique d’indice de réfraction ng et d’un cœur d’indice nc tel que nc > ng afin que la lumière soit guidée dans le cœur de la fibre [1]. Pour rendre cette fibre amplificatrice, son cœur est dopé par des ions terres rares tels que l’erbium (Er3+), l’ytterbium (Yb3+), le néodyme (Nd3+), le thulium (Tm3+)… Le choix de cet ion détermine la longueur d’onde d’émission du laser ainsi que la longueur d’onde de pompe. Le gain d’un tel laser dépend de la concentration des dopants, de la longueur de la fibre ainsi que de la puissance de pompe. Les architectures pour obtenir un effet laser sont les mêmes que dans le cas de lasers à cristaux solides (fig 1.1.). La première méthode est de placer le milieu amplificateur (ici la fibre dopée) dans une cavité fermée aux extrémités par des miroirs dont l’un est partiellement réfléchissant. Dans le cas des fibres, ces miroirs sont généralement des réseaux de Bragg photoinscrits. La deuxième possibilité est d’utiliser une architecture de type MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Dans cette deuxième architecture, un signal issu d’un oscillateur maître (typiquement une diode laser ou un laser à fibre) va être amplifié successivement dans différents étages d’amplification placés en série. L’avantage de cette structure est de pouvoir répartir le gain désiré sur plusieurs amplificateurs tout en gardant les propriétés de l’oscillateur maître. On sépare donc la partie amplification de la partie qui forme le faisceau pour obtenir un contrôle plus aisé des propriétés de la source.

Les lasers à fibre présentent un grand nombre d’avantages :
– l’élimination d’optiques en espace libre grâce à l’utilisation de composants fibrés (coupleurs, isolateurs, miroirs etc…) augmente la robustesse des systèmes fibrés face aux perturbations extérieures (vibrations par exemple)
– une grande efficacité optique/optique et électrique/optique
– une bonne qualité de faisceau, le faisceau étant confiné dans le cœur de la fibre .

Le plus grand désavantage de ce type de source concerne sa montée en puissance. En effet, il est difficile d’obtenir une forte puissance en conservant une bonne qualité de faisceau et une grande finesse spectrale en restant dans une architecture entièrement fibrée. Nous souhaitons donc avoir une source de forte puissance avec une bonne qualité de faisceau mais aussi une source fine spectralement, car c’est une caractéristique importante pour réaliser des interférences et donc de la combinaison cohérente que nous développerons par la suite. La prise en compte de l’ensemble de ces contraintes implique de rechercher un compromis. Nous allons expliquer pourquoi en présentant certaines propriétés des fibres optiques.