Combinaison cohérente de lasers à fibre

Dans ce chapitre, après des rappels sur les lasers à fibre, nous présenterons les différentes solutions actuellement étudiées pour augmenter la puissance de sources lasers à fibre tout en conservant une bonne qualité spectrale et spatiale des faisceaux. Nous montrerons cependant que la puissance de ces sources est limitée. Une solution pour dépasser les limites intrinsèques des sources lasers à fibre est alors la combinaison de faisceaux. Cette technique permet de répartir la puissance sur plusieurs lasers avant de les assembler tout en conservant les propriétés spectrales et spatiales des différents lasers. Nous décrirons alors différentes formes de combinaison de faisceaux pour expliquer les motivations du choix qui a été fait à l’Onera de se concentrer sur une technique en particulier : le marquage en fréquence. Nous présenterons alors les principaux résultats déjà obtenus à l’Onera et détaillerons les limites de cette technique. Enfin, nous montrerons que les critères classiquement utilisés en optique sont insuffisants pour qualifier la combinaison cohérente et nous présenterons d’autres critères plus pertinents. Dans la suite de la thèse, nous présenterons alors les solutions envisagées pour dépasser ces limites et étudierons la robustesse de systèmes composés d’un grand nombre d’émetteurs en utilisant ces critères.

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 photo- inscrits. 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.

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.  réfraction n ayant une valeur différente suivant qu’on se situe dans le cœur (nc) ou dans la gaine (ng). Les solutions de cette équation dans une fibre à saut d’indice sont discrètes et correspondent à ce qu’on appelle mode d’une fibre [1]. Le nombre de modes supporté dans une fibre dépend de la fréquence normalisée V défini par : La fibre optique ne maintient pas la polarisation des ondes guidées à cause de la biréfringence induite par les contraintes dans la fibre (courbure de la fibre…). Pour maintenir la polarisation, on introduit volontairement une forte biréfringence à l’aide de deux barreaux de contraintes. Ces barreaux imposent une contrainte constante tout au long de la propagation, la fibre est alors à maintien de polarisation (PM). Typiquement, une fibre monomode, pour un laser émettant à 1,5 µm de longueur d’onde, possède un rayon du cœur entre 4 et 5 µm et une ouverture numérique autour de 0,14.