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Article

1 - CONTEXTE

2 - TECHNIQUES DE COMBINAISON INCOHÉRENTE

3 - TECHNIQUES DE COMBINAISON COHÉRENTE

4 - TECHNIQUES ALTERNATIVES ET APPLICATIONS SECONDAIRES DE LA COMBINAISON LASER

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : IN305 v1

Techniques de combinaison incohérente
Techniques de combinaison de sources laser

Auteur(s) : Pierre BOURDON

Date de publication : 10 oct. 2017

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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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ABSTRACT

Laser sources combining techniques

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.

Points clés

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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KEYWORDS

laser   |   coherence   |   combining

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in305


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2. Techniques de combinaison incohérente

Le principe fondamental de la combinaison de lasers repose sur l’addition des puissances émises par plusieurs sources laser unitaires. La première approche à considérer est donc une addition par superposition de faisceaux laser où sont alignés plusieurs faisceaux laser, afin qu’ils illuminent la même zone d’une cible ou d’un objet, ou encore de l’environnement que l’on veut mesurer. La puissance totale additionnée des lasers est alors égale, en théorie, à la somme des puissances émises par chaque laser.

Cependant, ce raisonnement n’est vrai que si les faisceaux laser n’interférent pas dans le plan où ils se recouvrent. Or, de nombreux faisceaux laser sont très cohérents, c’est-à-dire que tous les photons émis par une source laser unitaire partagent une même longueur d’onde, une même polarisation et une même phase. Si toutes les sources laser sont identiques, elles partagent également cette même longueur d’onde et cette même polarisation. De ce fait, elles interféreront en se superposant et généreront une figure d’interférences composée de lobes clairs où l’intensité lumineuse résultante est forte, et de lobes sombres où l’intensité lumineuse s’annule.

Pour parvenir à additionner par superposition des puissances laser sans modifier la répartition d’intensité lumineuse dans le faisceau, il faut donc que les sources soient peu ou pas cohérentes et n’interférent pas.

La combinaison incohérente de faisceaux laser est donc une superposition additive sans interférence de ces faisceaux, donc sans modification de la répartition d’intensité lumineuse dans le faisceau.

Pour quantifier la performance des techniques de combinaison de lasers, on utilise la grandeur efficacité de combinaison, qui correspond à la fraction de puissance résultant de la combinaison, rapportée à la puissance totale additionnée des N sources combinées.

Un paramètre souvent associé à l’efficacité de combinaison est le facteur de qualité d’un faisceau laser noté M2.

En effet, un faisceau laser n’est jamais parfaitement directif, il diverge et sa divergence minimale est impactée par la qualité spatiale de la source laser émettrice et par le diamètre des optiques utilisées pour mettre en forme et renvoyer ce faisceau. La divergence minimale d’un faisceau laser, si sa qualité...

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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).

  • (2) - KIEL (D.H.) -   Fiber lasers for surface Navy applications.  -  Conférence Photonics West 2010, p. 7580-7521 (2010).

  • (3) - HANKLA (B.J.) -   Navy laser weapon system (LaWS) prototype development and testing.  -  Conférence Photonics West 2011, p. 7915-7911 (2011).

  • (4) - JUNG (M.) -   The laser weapons program at Rheinmetall Combat Systems.  -  Research Meeting topic 2.3 « Laser and laser application », Institut Franco-Allemand de Saint-Louis (2013).

  • (5) - MOHRING (B.), DIETRICH (S.), TASSINI (L.), PROTZ (R.), GEIDEK (F.), ZOZ (J.) -   High-energy laser activities at MBDA Germany.  -  Proc. SPIE, 8733, 873304 (2013).

  • ...

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