Brevet FR3027740A1 — publié le 20160429

La présente invention concerne un procédé et un système laser pour la génération d'une puissance laser élevée. On sait que, pour engendrer une puissance laser élevée, on peut engendrer, dans un premier temps, une pluralité de faisceaux laser élémentaires, puis utiliser en bloc à distance, ou rassembler les faisceaux laser élémentaires ainsi engendrés pour obtenir une puissance laser qui est d'autant plus grande que le nombre de faisceaux élémentaires est plus élevé. Toutefois, afin que la puissance laser résultante puisse être optimale, il importe que les faisceaux laser élémentaires présentent les mêmes 10 fréquences d'émission et la même phase. Or, notamment du fait que lesdits faisceaux laser élémentaires ne peuvent suivre des trajets rigoureusement identiques, des différences de phases apparaissent entre lesdits faisceaux laser élémentaires. Pour résoudre ce problème de différences de phases, le document 15 antérieur EP 2 649 688 décrit un procédé pour engendrer un faisceau laser de puissance élevée par combinaison d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences d'émission mais des phases différentes, ce procédé étant remarquable en ce que : - la phase relative de chacun desdits faisceaux laser élémentaires est 20 transformée en un niveau d'intensité lumineuse par un filtrage spatial par contraste de phase ; - lesdits niveaux d'intensité lumineuse correspondant respectivement auxdits faisceaux laser élémentaires sont transformés en valeurs de correction de phase ; et 25 - lesdites valeurs de correction de phase sont respectivement appliquées auxdits faisceaux laser élémentaires. Dans ce document EP 2 649 688, l'ajustement de la phase de chaque faisceau laser élémentaire est réalisé de façon itérative à l'intérieur même de l'oscillateur laser, à chaque passage successif dudit faisceau laser 30 élémentaire dans ledit oscillateur. Par conséquent, en même temps que chaque faisceau laser élémentaire converge vers un état stationnaire dans lequel il présente sa puissance nominale, tous les faisceaux laser élémentaires convergent ensemble vers un état stationnaire global dans lequel ils présentent non seulement leurs puissances nominales, mais également des phases parfaitement ajustées les unes par rapport aux autres, si bien que leur combinaison ultérieure est rendue particulièrement efficace. L'objet de la présente invention est de permettre la mise en oeuvre d'un procédé d'ajustement électro-optique des phases de faisceaux laser élémentaires, suivant un processus itératif de conversion « écarts de phase - écarts d'amplitude » puis « écarts d'amplitude - déphasages à appliquer aux faisceaux laser élémentaires », dans n'importe quel type d'architecture laser comportant une pluralité de faisceaux laser élémentaires de mêmes fréquences, et notamment dans les systèmes connus d'architecture MOPA à faisceau laser maître divisé en une pluralité de faisceaux laser élémentaires (voir par exemple US 6 366 356). À cette fin, selon l'invention, le procédé pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, procédé selon lequel : - la phase relative de chacun desdits faisceaux laser élémentaires est transformée en niveau d'intensité lumineuse par un filtrage par contraste de phase appliquant une relation matricielle M ; - le niveau d'intensité lumineuse ainsi obtenu pour chacun desdits faisceaux laser élémentaires est transformé en valeur de correction de phase ; et - lesdites valeurs de correction de phase sont respectivement appliquées aux faisceaux laser élémentaires, est remarquable en ce que : a) des parties de faisceau laser sont prélevées respectivement sur lesdits faisceaux laser élémentaires, lesdites parties de faisceaux laser constituant des champs optiques complexes qui présentent respectivement la même phase relative que les faisceaux laser élémentaires dont ils proviennent et dont l'ensemble A qu'ils forment est soumis au filtrage par contraste de phase selon la relation matricielle B = M.A pour former un ensemble B de champs optiques complexes filtrés correspondant aux parties filtrées des parties de faisceaux laser ; b) on détermine les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser avant filtrage ; c) on détermine les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser après filtrage ; d) on considère le cas idéal où toutes les phases relatives des faisceaux laser élémentaires sont identiques et où l'ensemble complexe A devient un ensemble réel pur Aidéai uniquement constitué à partir des intensités déterminées à l'étape b) et on calcule l'ensemble filtré Bidéal correspondant par la relation matricielle Bidéai = M.Aidéal, afin de déterminer les phases correspondantes des champs complexes filtrés dans ce cas idéal ; e) on attribue, aux champs complexes filtrés, les phases calculées à l'étape d) pour former un ensemble filtré théorique Bt et on calcule un ensemble théorique At avant filtrage correspondant par la relation matricielle inverse At = M-1.Bt, afin de déterminer les phases des champs optiques complexes constituant cet ensemble théorique At avant filtrage ; et f) on inverse le signe desdites phases de l'ensemble théorique At et on utilise ces phases de signe inversé comme valeurs de correction de phase. Ainsi, grâce à la présente invention, on forme une boucle de contre-réaction électro-optique pour fixer des phases relatives cibles à un ensemble de champs laser. Une telle boucle de contre-réaction électro-optique permet une convergence de phase rapide sans perturbation de l'émission laser. Les corrections de phase modifient les intensités des faisceaux filtrés. Par suite, les étapes c), d), e) et f) sont réitérées jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage desdits faisceaux laser élémentaires, ou bien sont effectuées de façon continue pour compenser en continu les défauts de phase produits par des perturbations. Avantageusement, les valeurs de correction de phase peuvent être pondérées par un coefficient multiplicateur supérieur ou égal à 1, afin d'optimiser la vitesse de cophasage. Les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser avant filtrage peuvent être déterminées par une opération préalable, ou bien en continu. Notamment lorsque lesdits faisceaux laser élémentaires résultent de la division d'un faisceau laser maître (architecture MOPA), il est avantageux que ces faisceaux laser élémentaires soient amplifiés avant prélèvement 10 desdites parties de faisceau laser. La présente invention concerne, de plus, un système pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, ce système comportant : 15 - un dispositif de filtrage par contraste de phase transformant selon une relation matricielle M les phases relatives desdits faisceaux élémentaires en niveaux d'intensité lumineuse ; - des moyens pour transformer lesdits niveaux d'intensité lumineuse en valeurs de correction de phase ; et 20 - des modulateurs de phase pour appliquer lesdites valeurs de correction de phase auxdits faisceaux laser élémentaires, et étant remarquable : - en ce qu'il comporte des moyens de division de faisceaux pour prélever des parties de faisceau laser sur lesdits faisceaux laser élémentaires ; 25 - en ce que le dispositif de filtrage par contraste de phase est disposé sur le trajet desdites parties de faisceau laser ; - en ce qu'il comporte des moyens de détection pour détecter l'intensité desdites parties de faisceau laser respectivement en amont et en aval dudit dispositif de filtrage par contraste de phase ; et 30 - en ce qu'il comporte des moyens de calcul reliés auxdits moyens de détection, calculant les phases des champs optiques complexes constituant un ensemble théorique At avant filtrage et en en inversant le signe, et appliquant les phases de signe inversé comme valeurs de correction de phase auxdits modulateurs de phase. De préférence, ledit système conforme à la présente invention comporte des moyens d'amplification pour lesdits faisceaux laser élémentaires, ces moyens d'amplification étant disposés entre lesdits modulateurs de phase et lesdits moyens de division de faisceau prélevant lesdites parties des faisceaux laser élémentaires. Le système conforme à la présente invention peut, de plus, comporter un oscillateur laser engendrant un faisceau laser maître et un diviseur engendrant lesdits faisceaux laser élémentaires à partir dudit faisceau laser maître. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique d'un exemple de réalisation d'un système laser conforme à la présente invention. La figure 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un système optique par contraste de phase pour la transformation de phases en niveaux d'intensité lumineuse. Les figures 3 et 4 montrent, respectivement en vue de dessus et en coupe, un exemple de réalisation d'élément de filtrage optique pour le système optique de la figure 2. Les figures 5 et 6 illustrent schématiquement l'action de l'élément de filtrage des figures 3 et 4. Le système laser, conforme à la présente invention et montré schématiquement sur la figure 1, comporte un oscillateur laser 1 émettant un faisceau laser maître Fm. Celui-ci est, par un diviseur 2, divisé en une pluralité de n faisceaux laser élémentaires fi (avec i = 1, 2, ..., n), présentant les mêmes fréquences d'émission que le faisceau laser maître Fm. Cependant, par suite notamment de différences dans leurs parcours, les faisceaux laser élémentaires fi présentent des phases différentes. Après amplification par des amplificateurs respectifs 3.i, les faisceaux laser élémentaires fi traversent des diviseurs sans déphasage 4.i qui, d'une part, laissent passer la plus grande partie desdits faisceaux élémentaires fi jusqu'aux sorties respectives 5.i dudit système laser et, d'autre part, prélèvent respectivement des parties de faisceaux laser pi sur lesdits faisceaux laser élémentaires fi. Conformément à la présente invention, le système laser de la figure 1 comporte une boucle électro-optique de cophasage par contre-réaction comportant : - un système 6 de filtrage optique par contraste de phase recevant la pluralité des parties de faisceaux laser pi respectivement prélevées par les diviseurs 4.i sur les faisceaux laser élémentaires fi et présentant des différences de phase respectivement identiques à celles des faisceaux laser élémentaires fi, ledit système de filtrage 6 transformant les phases relatives respectives (pi des parties de faisceau laser pi en niveaux d'intensité lumineuse - des photodiodes 7.i captant respectivement les intensités ai desdites parties de faisceau laser pi avant filtrage par le système de filtrage 6; - des photodiodes 8.i captant respectivement les intensités bi desdites parties de faisceau laser pi après filtrage par le système de filtrage 6; - un calculateur 9 recevant les intensités ai et bi respectivement des photodiodes 7.i et 8.i et calculant des valeurs de correction de phase pour les faisceaux laser élémentaires fi ; et - des modulateurs de phase 10.i, respectivement interposés dans le trajet des faisceaux laser élémentaires fi, en amont des amplificateurs 3.i, pour appliquer auxdits faisceaux laser élémentaires des valeurs de correction de phase qu'ils reçoivent du calculateur 9. Comme représenté sur la figure 2, le système de filtrage optique par contraste de phase 6, qui réalise les transformations respectives des phases pi des faisceaux laser élémentaires fi (par l'intermédiaire des parties pi prélevées par les séparateurs 4.i) en niveaux d'intensité lumineuse comporte une paire de lentilles (ou de miroirs concaves) lia et 11 b disposées de manière que le plan focal image de la lentille llb coïncide avec le plan focal objet de la lentille 11a, pour former un système optique afocal, ainsi qu'un filtre optique 12 disposé au niveau des plans focaux respectivement image de la lentille 11 b et objet de la lentille 11a, de manière qu'il soit centré sur l'axe du système optique afocal ainsi formé. Le système 6 de filtrage optique par contraste de phase permet 10 d'afficher le spectre de fréquences spatiales des parties de faisceaux laser pi sur le filtre optique 12, dont la structure est représentée plus précisément par les figures 3 et 4. Ce filtre optique spatial 12 est dérivé des techniques d'imagerie à contraste de phase, plus particulièrement connues dans le domaine de la microscopie. Ce filtre 12 présente par exemple deux zones 15 respectivement centrale 12a et périphérique 12b, dont les propriétés optiques diffèrent en termes de déphasage et d'atténuation, en vue d'appliquer à chacun des n faisceaux laser pi qui le traverse une atténuation différentielle en fonction du déphasage entre la phase moyenne de l'ensemble des faisceaux Pi et le faisceau laser pi considéré, dans le plan focal image de la lentille 11b. 20 Comme représenté par les figures 3 et 4, le filtre optique 12 peut comporter : - une couche inférieure 13 de déphasage, dont l'étendue recouvre les zones centrale 12a et périphérique 12b, et qui présente un évidement supplémentaire au niveau de ladite zone centrale 12a, et 25 - une couche supérieure 14 d'atténuation d'amplitude, dont l'étendue coïncide avec la zone périphérique 12b. La couche inférieure 13, qui réalise le décalage de phase souhaité, peut être formée d'une lame de verre de qualité optique élevée, gravée sur sa partie centrale. La couche supérieure 14, qui participe à l'atténuation partielle 30 de l'amplitude de chaque faisceau laser élémentaire (uniquement la partie périphérique dudit faisceau), peut être formée, quant à elle, d'un dépôt approprié de couches diélectriques. En variante, le filtre 12 peut être formé d'une unique couche, dont la forme et l'étendue sont analogues à celles de la couche inférieure 13 et dont les propriétés optiques conviennent pour, à la fois, atténuer et déphaser chaque faisceau élémentaire. Il peut être par exemple pratiqué à cet effet un traitement diélectrique adéquat. Le filtre optique 12 permet ainsi : - comme cela est illustré par la figure 5 (qui représente un exemple de profil 10 du niveau de transparence du filtre 12 suivant son étendue longitudinale), d'atténuer l'amplitude de la partie périphérique (transmittance T1) par rapport à celle de sa partie centrale (transmittance T2 supérieure à T1) de chaque faisceau laser élémentaire, et - comme cela est illustré par la figure 6 (qui représente un exemple de profil 15 du niveau de déphasage du filtre 12 suivant son étendue longitudinale), d'introduire un décalage de phase entre la partie périphérique (déphasage AcD1) et la partie centrale (déphasage AcP2 supérieur à Acl:e1) de chaque faisceau laser élémentaire. De ce qui précède, on conçoit aisément que : 20 - les différentes parties de faisceau laser pi, en amont du filtre 6 (c'est-à-dire avant filtrage), constituent un ensemble A de n champs optiques complexes Ai ayant des phases relatives (pi identiques respectivement à celles des faisceaux laser élémentaires fi et une intensité ai ; - les différentes parties de faisceau laser pi, en aval du filtre 6 (c'est-à-dire 25 après filtrage), constituent un ensemble B de n champs optiques complexes Bi ayant des niveaux d'intensité lumineuse bi respectivement représentatifs desdites phases relatives (pi, et - le système de filtrage 6 par contraste de phase établit une relation matricielle entre l'ensemble A des champs optiques complexes A et 30 l'ensemble B des champs optiques complexes Bi, cette relation matricielle étant définie par une matrice complexe M, connue par construction dudit système de filtrage 6 et intégrée dans le calculateur 9, de sorte que les champs complexes filtrés Bi se déduisent des champs complexes A; par le produit matriciel B = M.A. Les photodiodes 7.i, par des mesures préalables ou par des mesures en continu, adressent le carré des modules des champs complexes Ai au calculateur 9, qui connaît donc les intensités ai des parties de faisceau laser pi avant filtrage. Connaissant ces intensités ai et prenant en compte le fait que le but recherché par le cophasage est que toutes les phases cp; soient égales, on considère l'ensemble réel pur idéal Aidéai qui est alors connu. Pour cet ensemble idéal Aidée le calculateur 9 peut alors calculer le champ filtré idéal Bidéal par le produit matriciel Bidéal = M.Aidéai et en déduire les modules et les phases ei des champs complexes filtrés correspondants. Par ailleurs, les photodiodes 8.i adressent le carré des modules des champs complexes Bi au calculateur 9, qui connaît donc les intensités bi des parties du faisceau laser pi après filtrage. Conformément à la présente invention, à ces champs complexes Bi d'intensités connues bi, le calculateur 9 attribue les phases ei de l'ensemble idéal Bidéal pour former un ensemble complexe filtré théorique Bt et calcule l'ensemble théorique complexe At avant filtrage correspondant par le produit matriciel inverse At = M-1.Bt. Ce calcul permet donc de déterminer les phases p'; des champs optiques complexes constituant l'ensemble théorique A. Le calculateur 9 inverse le signe des phases (p'; et applique respectivement des valeurs de correction de phase - (p'; aux modulateurs de phase 10.i. Cette dernière étape modifiant les mesures des intensités bi effectuées après filtrage, on répète les étapes de mesure des modules bi, de calcul At = M-1.Bt et d'application des valeurs de correction de phase - cp'; jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage. En variante, ces étapes peuvent être effectuées en continu pour compenser en continu des défauts de phase produits par des perturbations. L'ensemble des sorties 5.1 du système laser de la figure 1, auxquelles apparaissent respectivement les faisceaux laser élémentaires fi après cophasage, forme une source laser composée 5 de puissance et de brillance élevées. Cette source laser composée 5 peut être utilisée telle quelle, par exemple pour illuminer une cible suffisamment lointaine pour que l'ensemble des faisceaux fi puisse être considéré comme formant un faisceau laser unique. En variante, il est possible, de façon connue, de prévoir un dispositif de combinaison (non représenté), auquel sont adressés les faisceaux laser élémentaires fi apparaissant aux sorties 5.i et qui est apte à combiner lesdits faisceaux laser élémentaires fi pour former un unique faisceau laser dont la puissance et la brillance sont élevées. En variante également, il est possible d'affecter un coefficient pondérateur y (nombre réel positif supérieur ou égal à 1) aux valeurs de correction de phase en appliquant aux modulateurs de phase 10.i une correction y. (-(p',), afin d'optimiser la vitesse de cophasage. REVENDICATIONS1. Procédé pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires (fi) ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, procédé selon lequel : - la phase relative ((pi) de chacun desdits faisceaux laser élémentaires (fi) est transformée en niveau d'intensité lumineuse (Ali) par un filtrage par contraste de phase appliquant une relation matricielle de fonction M ; - le niveau d'intensité lumineuse (Ali) ainsi obtenu pour chacun desdits faisceaux laser élémentaires (fi) est transformé en valeur de correction de phase (-(ii) ; et - lesdites valeurs de correction de phase (-cp'i) sont respectivement appliquées aux faisceaux laser élémentaires (fi); caractérisé en ce que : a) des parties de faisceaux laser (pi) sont prélevées respectivement sur lesdits faisceaux laser élémentaires (fi), lesdites parties de faisceaux laser (pi) constituant des champs optiques complexes (Ai) qui présentent respectivement la même phase relative (p1) que les faisceaux laser élémentaires (fi) dont ils proviennent et dont l'ensemble A qu'ils forment est soumis au filtrage par contraste de phase selon la relation matricielle B = M.A pour former un ensemble B de champs optiques complexes filtrés (B1) correspondant aux parties filtrées des parties de faisceaux laser (PI); b) on détermine les intensités (ai) des champs complexes (Ai) formés par lesdites parties de faisceau laser (pi) avant filtrage ; c) on détermine les intensités (b1) des champs complexes (131) formés par lesdites parties de faisceau laser (pi) après filtrage ; d) on considère le cas idéal où toutes les phases relatives ((pi) des faisceaux laser élémentaires (f1) sont identiques et où l'ensemble complexe A devient un ensemble réel pur Aidéai uniquement constitué à partir desintensités (ai) déterminées à l'étape b) et on calcule l'ensemble filtré Bidéal correspondant par la relation matricielle Bidéal = M.Aidéal, afin de déterminer les phases (Bi) correspondantes des champs complexes filtrés dans ce cas idéal ; e) on attribue, aux champs complexes filtrés (Bi), les phases (I3i) calculées à l'étape d) pour former un ensemble filtré théorique Bt et on calcule un ensemble théorique At avant filtrage correspondant par la relation matricielle inverse At = M-1.Bt, afin de déterminer les phases (q)1i) des champs optiques complexes constituant cet ensemble théorique At avant 10 filtrage ; et f) on inverse le signe desdites phases ((p1i) de l'ensemble théorique At et on utilise ces phases (-cifi) de signe inversé comme valeurs de correction de phase. 2. Procédé selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que les étapes c), d), e) et f) sont réitérées jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage desdits faisceaux laser élémentaires (fi). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes c), d), e) et f) sont effectuées de façon 20 continue pour compenser en continu les défauts de phase produits par des perturbations. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les intensités (ai) des champs complexes (Ai) formés par lesdites parties de faisceau laser (pi) avant filtrage sont déterminées en 25 continu. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les intensités (ai) des champs complexes (Ai) formés par lesdites parties de faisceau laser (pi) avant filtrage sont déterminées lors d'une opération préalable. 30 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits faisceaux laser élémentaires (fi) sont amplifiésavant prélèvement desdites parties de faisceaux laser (pi). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits faisceaux laser élémentaires (f1) résultent de la division d'un faisceau laser maître (Fm). 8. Procédé selon l'un des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les valeurs de correction de phase sont pondérées par un coefficient multiplicateur supérieur ou égal à 1. 9. Système pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux élémentaires f, ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, ce système comportant : - un dispositif de filtrage par contraste de phase (6) transformant selon une relation matricielle M les phases relatives ((pi) desdits faisceaux élémentaires en niveaux d'intensité lumineuse (Ali), - des moyens (9) pour transformer lesdits niveaux d'intensité lumineuse (Ali) en valeurs de correction de phase (-(p';), et - des modulateurs de phase (10.i) pour appliquer lesdites valeurs de correction de phase (-cp';) auxdits faisceaux laser élémentaires (f1), caractérisé : - en ce qu'il comporte des moyens de division de faisceaux (4.i) pour prélever des parties de faisceau laser (pi) sur lesdits faisceaux laser élémentaires (f1) ; - en ce que le dispositif de filtrage par contraste de phase (6) est disposé sur le trajet desdites parties de faisceau laser (pi) ; - en ce qu'il comporte des moyens de détection (7.i et 8.i) pour détecter l'intensité desdites parties de faisceau laser (pi) respectivement en amont et en aval dudit dispositif de filtrage par contraste (6) de phase ; et - en ce qu'il comporte des moyens de calcul (9) reliés auxdits moyens de détection (7.i et 8.i), calculant les phases (q)';) des champs optiques complexes constituant un ensemble théorique At avant filtrage et en en inversant le signe, et appliquant les phases (-(p';) de signe inversé comme valeurs de correction de phase auxdits modulateurs de phase (10.i). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amplification (3.i) des faisceaux laser élémentaires (f) et en ce que lesdits moyens d'amplification (3.i) sont disposés entre lesdits modulateurs de phase (10.i) et lesdits moyens de division de faisceau (4.i) prélevant lesdites parties de faisceau laser (pi). 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur (1) engendrant un faisceau laser maître (Fm) et un diviseur de faisceau laser (2) engendrant lesdits faisceaux laser élémentaires (fi) à partir dudit faisceau laser maître (Fm).10