Brevet FR3021761A1 — publié le 20151204

SYSTEME DE MISE EN PHASE D'UN GRAND NOMBRE DE SOURCES LASER Le domaine de l'invention est celui de la recombinaison cohérente d'un grand nombre de sources lasers élémentaires. La recombinaison cohérente de sources lasers s'applique notamment à la réalisation de sources lasers de forte puissance, et/ou de forte énergie dans le cas de sources impulsionnelles ultra-courtes, par exemple de largeur d'impulsion inférieure à la picoseconde. L'obtention de sources laser de hautes puissances (ou énergies) lo et de grandes luminances est aujourd'hui limitée par la tenue au flux des matériaux à gain. Une solution à ce problème est de répartir l'amplification sur plusieurs milieux à gain en parallèle. Cela nécessite que les faisceaux laser en sortie de chaque milieu à gain soient en phase de sorte à assurer une recombinaison cohérente optimale de l'ensemble des faisceaux laser. Il 15 faut donc compenser de manière dynamique les retards introduits sur un grand nombre M de faisceaux laser par la propagation à travers un ensemble de milieux à gain (amplificateurs fibrés par exemple) mis en parallèle. Une fois verrouillés en phase, les M faisceaux laser émergents interfèrent constructivement et constituent ainsi une source de luminance M fois 20 supérieure à celle d'un amplificateur élémentaire, tout en gardant sa qualité de faisceau (limitée par diffraction dans le cas de fibres monomodes par exemple). Il s'agit donc de mettre en place autant de boucles à verrouillage de phase que d'émetteurs. Les architectures de mise en phase de sources lasers peuvent 25 être classifiées selon plusieurs critères. Le premier est la manière dont les faisceaux sont spatialement recombinés, ou superposés. On distingue ainsi 2 familles : - Recombinaison en champ lointain (« tiled aperture ») : les M faisceaux lasers sont collimatés et ont des directions de propagation parallèles. 30 Ce mode de recombinaison est l'équivalent optique de l'antenne à formation de faisceau en radar. Le champ lointain présente alors un lobe central intense, et des lobes secondaires parasites. - Recombinaison en champ proche (« filled aperture ») : les M faisceaux sont superposés en champ proche, en utilisant des 3021761 2 polariseurs ou un élément optique diffractif (ou « DOE » acronyme de l'expression anglo-saxonne Diffractive Optical Element). L'avantage de la méthode de recombinaison en champ proche est son efficacité, puisque l'on n'a pas dans ce cas de lobes secondaires dans le champ 5 lointain. Vient ensuite la nature du signal d'erreur, et le traitement qui va permettre de contre-réagir sur les phases entre sources lasers, et d'optimiser leur addition cohérente. On distingue essentiellement 4 méthodes de recombinaison cohérente de faisceaux lasers, classées selon la quantité d'information contenue dans le signal de contre-réaction : La méthode dite de « hill climbing » : le signal d'erreur est simplement constitué du prélèvement d'une fraction de l'énergie recombinée, qui est maximisée en jouant sur les phases des M canaux (faisceaux) à recombiner. Cette technique se base sur un algorithme d'optimisation par gradient à M-1 dimensions. La complexité repose ici sur l'algorithme de traitement, le signal d'erreur, un signal scalaire, étant extrêmement simple, et bas coût. L'inconvénient de cette méthode est la bande passante de la boucle, qui évolue en 1/M. Cette méthode se prête donc plutôt à un faible nombre de faisceaux recombinés typiquement inférieur à 10. La méthode dite « OHD » acronyme de l'expression anglo-saxonne « Optical Heterodyne Detection ». Pour cette méthode, le signal d'erreur qui est constitué de la mesure de la phase de chaque émetteur par rapport à un faisceau de référence, est un signal vectoriel ; on utilise un détecteur par canal. Les M mesures sont faites en parallèle par mélange hétérodyne et démodulation. Les inconvénients de cette méthode sont o l'utilisation de composants RF, ce qui pénalise le coût par canal, o le recours à un faisceau de référence, o le signal d'erreur qui est mesuré avant recombinaison et qui ne garantit pas une qualité de recombinaison optimale : il ne permet pas de compenser les fluctuations de phase entre le 3021761 3 plan de mesure des phases et le plan de recombinaison. Une calibration du système est alors requise. La méthode dite « LOCSET », ou « Synchronous Multi-Dither ». Comme pour le « hill climbing », cette méthode utilise une fraction de 5 l'énergie recombinée comme signal d'erreur, mais dans ce cas, les contributions des différents canaux sont identifiées en « marquant » en fréquence chaque canal par une modulation RF à une fréquence qui lui est propre. Le signal d'erreur pour chaque faisceau est alors obtenu par mélange hétérodyne avec un faisceau de référence. Cette 10 méthode est attractive car elle ne nécessite qu'un unique détecteur, et la disponibilité de modulateurs de phase rapides permet d'envisager un grand nombre de canaux. En revanche, elle nécessite un grand nombre de composants RF dans la boucle de contre-réaction (mélangeurs, modulateurs,...), ce qui augmente considérablement le 15 coût par canal du système. On obtient un signal similaire en modulant séquentiellement dans le temps chacun des faisceaux, cette fois à la même fréquence, mais au détriment de la bande passante du système. La méthode de mesure directe des phases entre émetteurs, pour 20 laquelle le signal d'erreur est une cartographie des phases extraites de l'interférogramme des faisceaux à recombiner interférant soit entre eux, soit avec un faisceau de référence. Cette méthode de mesure interférométrique directe est collective : l'ensemble des phases est obtenue par l'enregistrement d'une seule image par un capteur 25 matriciel, et se prête donc parfaitement à un grand nombre d'émetteurs. Le coût de l'imageur utilisé est à diviser par le nombre de canaux et n'est donc pas déterminant. La bande passante du système peut en revanche être limitée par le capteur utilisé, spécialement dans l'infrarouge. Ce n'est cependant pas une limite fondamentale. 30 Finalement, comme pour la méthode « OHD », la mesure de phase est effectuée avant recombinaison ; elle ne permet pas de compenser les fluctuations de phase entre le plan de mesure des phases et le plan de recombinaison et ne garantit donc pas une qualité de recombinaison optimale. Une calibration du système est alors requise. 3021761 4 Le tableau ci-dessous résume l'état de l'art des techniques de recombinaison cohérente. Les cases grisées indiquent les points négatifs de chaque méthode. 5 Nature du signal Scalaire Vectoriel d'erreur Méthode « Hill « LOCSET » « OHD » Mesure interf. Climbing » directe Nb détecteurs 1 1 M >2M (pour M sources) Bande passante Evolue en 1/M >10kHz >10kHz Limité par caméra (potentiellement >1-10kHz) Calibration Non Non Oui Oui requise Besoin Non Oui Oui Non électronique RF (impacte le coût) Besoin d'une Non Non Oui Pas référence nécessairement (QWLSI in [11]) optique Type de Champ proche Champ proche Champ lointain Champ lointain recombinaison le mieux adapté Il n'existe donc pas à l'heure actuelle d'architecture de recombinaison cohérente de faisceaux lasers qui satisfasse à la fois les 10 conditions d'une bande passante de boucle >1kHz, d'un nombre de faisceaux potentiellement de 100, 1000 voire au-delà, d'un fonctionnement sans calibration (signal d'erreur dans le plan de recombinaison), et d'un faible coût. 3021761 5 Le cadre de l'invention est celui d'un système dans lequel les faisceaux laser sont recombinés spatialement à l'aide d'un élément optique diffractif (DOE). Le système selon l'invention s'appuie sur une utilisation originale de cet élément diffractif qui permet, en plus d'assurer la 5 recombinaison spatiale des faisceaux, de générer un signal d'erreur innovant permettant de compenser les écarts de phase entre sources lasers. Ce signal d'erreur est calculé à partir des intensités diffractées sur les ordres supérieurs de l'élément diffractif de recombinaison. Un tel signal d'erreur permet de remplir l'ensemble des conditions énoncées ci-dessus. 10 Plus précisément l'invention a pour objet un système de mise en phase de M sources laser de même longueur d'onde centrée autour de Ivo, présentant une configuration spatiale périodique, M étant un entier>2, qui comprend : - des moyens pour collimater et diriger les M faisceaux issus des 15 sources sur un élément optique diffractif de recombinaison à réseau de phase périodique, avec un angle d'incidence différent d'un faisceau à l'autre, ces angles d'incidence étant déterminés en fonction de la période du réseau, et - des moyens de contrôle des phases desdites sources à partir d'un 20 signal de contre-réaction issu des faisceaux recombinés. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de prélèvement d'une fraction des faisceaux recombinés, - sur le trajet de cette fraction des faisceaux recombinés, une lentille 25 de Fourier ayant un plan objet et un plan image, avec l'élément optique diffractif de recombinaison dans son plan objet, une matrice de détecteurs dans le plan image de la lentille de Fourier, apte à détecter des distributions d'intensité de la fraction des faisceaux recombinés, 30 des moyens de calcul du signal de contre-réaction à partir de ces distributions d'intensité. On obtient bien un signal d'erreur vectoriel (de taille donnée par le nombre d'ordres de diffraction supérieurs mesurés) mais sans avoir à utiliser 35 des composants RF. De plus, le système par principe ne requiert pas de 3021761 6 calibration, puisque l'optimisation ne vise pas le verrouillage des phases (cf techniques « OHD » et « mesure interférométrique directe »), mais bien directement l'intensité recombinée (en minimisant l'intensité des ordres supérieurs). 5 On regroupe donc les avantages suivants : - Comme pour les méthodes « LOCSET » et « hill climbing », le signal d'erreur est généré dans le plan de recombinaison, donc pas de calibration requise. Le signal d'erreur est constitué d'un ensemble de mesures non- 10 redondantes qui permettent par un traitement simple de générer le signal de contre-réaction. - Le coût du système par canal (faisceau) est relativement faible puisqu'aucun élément RF n'intervient, et qu'un seul détecteur par canal est nécessaire. 15 Le système est compatible d'un grand nombre de canaux, et d'une bande passante >1kHz. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de calcul du signal de contre-réaction comprennent des moyens de calcul du produit de la 20 distribution des intensités détectées dans le plan de la matrice des détecteurs par l'inverse d'une matrice de dimension (2M-1) x (2M-1) si M est impair, et 2M x 2M si M est pair, définie par des coefficients obtenus par développement en série de Fourier de la phase de l'élément optique diffractif de recombinaison prise sur une période. 25 On a typiquement M>100. De préférence, les sources sont disposées selon une configuration spatiale à une ou deux dimensions. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les faisceaux issus des sources laser ont un même plan de sortie, et le système comprend 30 alors une autre lentille de Fourier ayant un plan objet dans lequel est situé le plan de sortie des sources laser et un plan image dans lequel est situé l'élément optique diffractif de recombinaison. 3021761 7 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 illustre schématiquement l'utilisation d'un élément 5 optique diffractif comme moyen de recombinaison de faisceaux de « M vers 1 » (5 vers 1 sur l'exemple de la figure), la figure 2 représente schématiquement un exemple de système de mise en phase selon l'invention, les figures 3 montrent schématiquement un profil d'intensité pour 10 un élément optique diffractif utilisé en séparateur de 1 vers M (de 1 vers 5 dans l'exemple de la figure) (fig 3a), ou utilisé en moyen de recombinaison de faisceaux de M vers 1 (de 5 vers 1 dans l'exemple de la figure) avec la distribution des intensités diffractées par l' élément optique diffractif. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les 15 mêmes références. Le cadre de l'invention est celui d'un système qui repose tout d'abord sur l'utilisation d'un élément optique diffractif 1 (ou DOE) comme moyen de recombinaison de différents faisceaux laser 10, comme représenté 20 sur l'exemple de la figure 1. Les faisceaux lasers 10 sont incidents sur le DOE 1 selon un angle défini par la période spatiale du DOE. Lorsque les faisceaux sont verrouillés en phase, et avec la distribution de phase optimale (imposée par le DOE), alors tous les faisceaux interfèrent constructivement sur l'ordre 0 (= ordre principal) du DOE 11b, et destructivement sur les 25 ordres supérieurs 11a. Le principe de l'invention est d'utiliser la distribution d'intensité 11a diffractée sur les ordres supérieurs du DOE comme signal d'erreur pour optimiser la recombinaison, comme représenté sur l'exemple de la figure 2. Dans notre approche, comme pour les techniques de LOCSET et de « hill 30 climbing », le signal d'erreur est mesuré en bout de chaine (c'est-à-dire après le DOE), ce qui permet de prendre en compte l'ensemble des perturbations subies par les faisceaux. A noter que si l'exemple de la figure 2 représente une disposition en ligne des faisceaux lasers, et donc un DOE à 1 dimension, la solution proposée s'applique cependant de manière équivalente à un agencement 2D des faisceaux lasers et un DOE à 2 dimensions. 3 0 2 1 7 6 1 8 On décrit un système de mise en phase de M sources lasers selon l'invention, en relation avec la figure 2. Les M sources laser ont même longueur d'onde centrée autour de Ào. Ces sources laser peuvent être des 5 sources impulsionnelles ; la largeur d'impulsion peut aussi être inférieure à 10-12 s. Le système comporte : - M modulateurs de phase : un modulateur 4 en sortie de chaque source laser. 10 Un DOE 1 de recombinaison à réseau de phase de période spatiale prédéterminée, situé dans le plan image d'une lentille de Fourier 14 : les M faisceaux issus des modulateurs sont dirigés sur le DOE 1 par cette lentille de Fourier 14. Chaque faisceau arrive sur le DOE avec un angle d'incidence spécifique défini par la période spatiale du DOE. 15 - Des moyens de prélèvement d'une fraction 12 des faisceaux recombinés 11, qui peuvent être un miroir à haute réflectivité 5 (avec un prélèvement d'1% par exemple) ou un cube séparateur de polarisation. On choisit de préférence un prélèvement REVENDICATIONS1. Système de mise en phase de M sources laser de même longueur d'onde centrée autour de Ào, présentant une configuration spatiale périodique, M étant un entier>2, qui comprend : des moyens pour collimater et diriger les M faisceaux issus des sources sur un élément optique diffractif de recombinaison (1) à réseau de phase périodique, avec un angle d'incidence 02k différent d'un faisceau à l'autre, ces angles d'incidence étant déterminés en fonction de la période du réseau, et - des moyens de contrôle des phases desdites sources à partir d'un signal de contre-réaction issu des faisceaux recombinés, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens (5) de prélèvement d'une fraction (12) des faisceaux recombinés, sur le trajet de cette fraction des faisceaux recombinés, une lentille de Fourier (6) ayant un plan objet et un plan image, avec l'élément optique diffractif de recombinaison (1) dans son plan objet, - une matrice de détecteurs (7) dans le plan image de la lentille de Fourier (6), apte à détecter des distributions d'intensité de la fraction des faisceaux recombinés, - des moyens (8) de calcul du signal de contre-réaction à partir de ces distributions d'intensité. 2. Système de mise en phase de sources laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (8) de calcul du signal de contre-réaction comprennent des moyens de calcul du produit de la distribution des intensités détectées dans le plan de la matrice des détecteurs par l'inverse d'une matrice de dimension (2M-1) x (2M-1) pour M impair et 2M x 2M pour M pair, définie par des coefficients obtenus par développement en série de Fourier de la phase de l'élément optique diffractif de recombinaison prise sur une période. 3021761 16 3. Système de mise en phase de sources laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources laser sont impulsionnelles. 5 4. Système de mise en phase de sources laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur d'impulsion est inférieure à 10-12s. 5. Système de mise en phase de sources laser selon l'une des 10 revendications précédentes, caractérisé en ce que M>100. 6. Système de mise en phase de sources laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction prélevée est 7. Système de mise en phase de sources laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources sont disposées selon une configuration spatiale à une ou deux dimensions. 20 8. Système de mise en phase de sources laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faisceaux issus des sources laser ayant un même plan de sortie, il comprend une autre lentille de Fourier (14) ayant un plan objet dans lequel est situé le plan de sortie des sources laser et un plan image dans lequel est 25 situé l'élément optique diffractif de recombinaison (1). 30