Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
Cet article présente les principales techniques permettant de combiner des sources laser afin d’accroître leur puissance. En effet, il existe des méthodes adaptées pour additionner efficacement, c’est-à-dire avec les pertes les plus faibles possibles, les puissances de plusieurs sources laser. Les techniques de combinaison de lasers sont classées en deux grandes familles: les configurations incohérentes procédant par simple superposition de faisceaux, et les configurations cohérentes utilisant les interférences optiques entre faisceaux laser identiques pour les combiner. Toutes ces techniques sont décrites ici, ainsi que leur potentiel pour la montée en puissance des sources laser.
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This article presents the main techniques used to combine laser sources and increase their joint power. There are appropriate techniques to sum the powers from multiple laser sources efficiently, i.e. with low losses. Laser combining techniques fall into two main classes: incoherent setups based on simple overlap of laser beams, and coherent setups involving optical interferences between identical laser beams to combine them. All these techniques are described, and their potential to power-scale laser sources is assessed.
Auteur(s)
-
Pierre BOURDON : Chargé de mission « Laser de puissance pour la défense » Département d’Optique Onera – The French Aerospace Lab, Palaiseau, France
INTRODUCTION
Les lasers sont des sources de puissance lumineuse extrêmement intenses, utilisées couramment pour déposer de l’énergie à distance, que ce soit pour effectuer des mesures de paramètres physiques comme la distance, la vitesse d’un objet ou la concentration d’une molécule, ou pour interagir avec un matériau afin de modifier son état physique en le fondant ou le brûlant (par exemple pour la découpe de pièces métalliques par laser dans l’industrie automobile). Certaines applications militaires comme les armes laser utilisent un faisceau laser pour échauffer fortement une cible à distance dans le but de l’endommager ou même de la détruire. Quelle que soit l’application, la portée d’action du laser, la vitesse d’interaction ou la sensibilité et la précision pour les applications liées à la mesure peuvent être améliorées en utilisant des lasers plus puissants. Aussi cherche-t-on souvent à accroître la puissance émise par les sources laser.
Les lasers les plus puissants, les plus compacts et les plus efficaces aujourd’hui sont les lasers solides, ainsi appelés car le milieu générant la puissance lumineuse est sous forme solide : généralement un barreau cylindrique ou une plaque parallélépipédique. Les fibres optiques dopées constituent également des milieux solides de choix pour réaliser des sources laser compactes, robustes et efficaces. Cependant, ces milieux solides s’échauffent lorsqu’ils sont mis en œuvre, et leurs performances se dégradent si l’échauffement devient trop important, limitant ainsi leur montée en puissance. Dans les lasers à fibres où ces effets thermiques sont toutefois beaucoup moins limitants que dans les lasers solides à barreaux ou à plaques, des effets non linéaires viennent s’ajouter et limiter aussi la montée en puissance.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.
Domaine : Électronique – Photonique
Degré de diffusion de la technologie : Croissance
Technologies impliquées : Laser, optique, électronique
Domaines d’application : Développement de sources laser et montée en puissance.
Contact : [email protected]
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
laser | coherence | combining
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Techniques alternatives et applications secondaires de la combinaison laser
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3. Techniques de combinaison cohérente
Une deuxième approche pour additionner les puissances émises par plusieurs sources laser unitaires est une addition par interférences optiques. Compte tenu de la cohérence de la plupart des sources laser, c’est même souvent la seule option envisageable, puisque la superposition de faisceaux laser fortement cohérents provenant de lasers identiques (même longueur d’onde et même polarisation) conduit immanquablement à la création d’une figure d’interférence entre ces faisceaux. Le profil spatial lisse du faisceau laser, le plus souvent gaussien à l’émission, devient alors modulé par les lobes clairs de la figure d’interférence où l’intensité lumineuse résultante est forte, et les lobes sombres où l’intensité lumineuse s’annule.
Deux grandes configurations géométriques sont possibles pour les faisceaux laser dans ce cas (figure 8) :
-
soit on superpose les faisceaux en cascade, les ajoutant un par un à l’aide de lames de mélange ;
-
soit on juxtapose les faisceaux laser en les plaçant côte à côte, et on les laisse se propager librement et se superposer au loin (en champ lointain) compte tenu de leur divergence naturelle.
La géométrie de la figure d’interférence obtenue est différente dans ces 2 cas, avec, dans le cas de la superposition en cascade, une figure d’interférence à symétrie de révolution constituée d’un lobe central d’interférence circulaire entouré d’anneaux et, dans le cas de la juxtaposition, un réseau périodique en 2 dimensions de lobes d‘interférences, inscrit dans une enveloppe qui suit la forme du profil spatial d’un faisceau laser unitaire pris dans le même plan de propagation.
Dans le schéma de la figure 8, la géométrie des faisceaux à courte distance de propagation (c’est-à-dire juste en sortie de la dernière optique de superposition, ou juste en sortie des optiques juxtaposées, selon le cas considéré) est appelée champ proche. La figure d’interférence générée après propagation sur une distance suffisamment longue (les interférences optiques n’apparaissent qu’après propagation des faisceaux superposés sur une distance suffisante) est assimilée à ce que l’on appelle le champ lointain. Dans la figure ...
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Techniques de combinaison cohérente
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KLENKE (A.), BREITKOPF (S.), GOTTSCHALL (T.), EIDAM (T.), LIMPERT (J.), TÜNNERMANN (A.) - 4-channel coherently combined femtosecond fiber CPA system. - Conférence Photonics West 2013, p. 8601-8642 (2013).
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(2) - KIEL (D.H.) - Fiber lasers for surface Navy applications. - Conférence Photonics West 2010, p. 7580-7521 (2010).
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Conférence SPIE – Photonics West : tous les ans à San Francisco http://spie.org/conferences-and-exhibitions/photonics-west
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