{"id":6909,"date":"2021-03-08T15:38:00","date_gmt":"2021-03-08T14:38:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.cailabs.com\/blog\/non-classifiee\/is-it-really-possible-to-achieve-incoherent-beam-combining-with-optimal-output-quality\/"},"modified":"2024-07-10T16:17:03","modified_gmt":"2024-07-10T14:17:03","slug":"comment-combiner-de-facon-realiste-des-faisceaux-de-maniere-incoherente-avec-une-qualite-optimale-en-sortie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.cailabs.com\/fr\/blog\/aerospatial-et-defense\/comment-combiner-de-facon-realiste-des-faisceaux-de-maniere-incoherente-avec-une-qualite-optimale-en-sortie\/","title":{"rendered":"Comment combiner de fa\u00e7on r\u00e9aliste des faisceaux de mani\u00e8re incoh\u00e9rente avec une qualit\u00e9 optimale en sortie\u202f?"},"content":{"rendered":"\n

Dans Star Wars, <\/strong>George Lucas <\/strong>avait d\u00e9j\u00e0 imagin<\/strong>\u00e9<\/strong> la possibilit\u00e9 d<\/strong>\u2019utiliser<\/strong> plusieurs lasers pou<\/strong>r former <\/strong>un<\/strong> unique<\/strong> faisceau plus puissant<\/strong> en sortie que son \u00e9toile de la mort<\/strong>. <\/strong>D<\/strong>\u00e9couvrez la m\u00e9thode<\/strong> innovante<\/strong> <\/strong>propos\u00e9e<\/strong> par Cailabs pour<\/strong> <\/strong>combiner des sources de<\/strong> mani<\/strong>\u00e8re<\/strong> incoh\u00e9rente<\/strong>..<\/strong>.<\/strong> <\/p>\n\n\n\n

Dans un pr\u00e9c\u00e9dent article de blog,\u00a0David Allioux<\/a>\u00a0nous a\u00a0expliqu\u00e9\u00a0l\u2019int\u00e9r\u00eat de combiner des sources lasers de fa\u00e7ons incoh\u00e9rentes<\/a>\u00a0pour pouvoir s\u2019affranchir de la limitation en puissance des lasers\u00a0sans avoir \u00e0 contr\u00f4ler leurs phases respectives.\u00a0On\u00a0esp\u00e8re\u00a0ainsi\u00a0dans un futur proche chauffer rapidement\u00a0la\u00a0soupe de courge\u00a0de David\u00a0\u00e0 une temp\u00e9rature satisfaisante mais\u00a0surtout\u00a0utiliser ces combineurs pour d\u2019autres applications photoniques\u00a0infrarouges\u00a0diverses telles que les\u00a0LiDARs<\/a>,\u00a0la contremesure<\/a>\u00a0ou la\u00a0spectrom\u00e9trie<\/a>.\u00a0<\/p>\n\n\n\n

Malgr\u00e9 tout, des compromis sont n\u00e9cessaires et il est impossible de combiner plusieurs lasers multimodes avec une bonne efficacit\u00e9 sans augmenter sa divergence i.e. la qualit\u00e9 de faisceau de sortie.  <\/p>\n\n\n\n

Pour quantifier la performance des techniques de combinaison de lasers, on utilise g\u00e9n\u00e9ralement deux grandeurs : l\u2019efficacit\u00e9 de combinaison, qui correspond \u00e0 la fraction de puissance r\u00e9sultant de la combinaison, rapport\u00e9e \u00e0 la puissance totale additionn\u00e9e des N sources combin\u00e9es et le facteur de qualit\u00e9 d\u2019un faisceau laser, not\u00e9 M\u00b2. Dans cet article, nous allons donc plus sp\u00e9cifiquement nous int\u00e9resser \u00e0 ce dernier crit\u00e8re primordial.  <\/p>\n\n\n\n

Le M\u00b2 est un terme physique d\u00e9crivant la diff\u00e9rence entre l\u2019angle de divergence d\u2019un faisceau laser et le faisceau gaussien id\u00e9al. Plus la valeur est faible, meilleure sera la focalisation du laser. En d\u2019autres termes, plus il sera proche de 1, plus le faisceau sera qualifi\u00e9 de \u00ab\u202fmonomode\u202f\u00bb et proche de la gaussienne parfaite. <\/p>\n\n\n\n

1- Ce <\/strong>que propose Cailabs<\/strong>\u202f: <\/strong>Manipuler les modes de la lumi\u00e8re<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n

Pour commencer et au risque de d\u00e9cevoir les groupies de l\u2019empereur Palpatine, la m\u00e9thode utilis\u00e9e n\u2019est pas celle de l\u2019\u00e9toile de la mort<\/a> illustr\u00e9e ci-dessous\u2026  <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Giphy\"<\/picture>
Tir laser depuis l\u2019Etoile de la mort (Star Wars)<\/em> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

En \u00ab\u202fcombinant\u202f\u00bb ainsi huit faisceaux convergents, chaque faisceau de l\u2019\u00e9toile se croiserait et continuerait \u00e0 se propager dans sa propre direction. Il est donc imp\u00e9ratif que tous les faisceaux d\u2019entr\u00e9es soient colin\u00e9aires et confondus en sortie\u2026 <\/p>\n\n\n\n

Pour combiner plusieurs sources de mani\u00e8re optimale, Cailabs propose une approche modale consistant \u00e0 d\u00e9composer n\u2019importe quelle forme de lumi\u00e8re sur une base de modes spatiaux arbitraires. Il existe plusieurs bases classiques, comme les modes de Hermite-Gauss ou de Laguerre-Gauss qui sont commun\u00e9ment utilis\u00e9s en optique. <\/p>\n\n\n\n

La lumi\u00e8re est une onde \u00e9lectromagn\u00e9tique qui lorsqu\u2019elle se propage dans un milieu homog\u00e8ne est soumise aux \u00e9quations de Maxwell. Toute onde se propageant dans un milieu isotrope (milieu ayant les m\u00eames caract\u00e9ristiques physiques dans toutes les directions) doit v\u00e9rifier l\u2019\u00e9quation de propagation<\/a>. Les modes spatiaux repr\u00e9sentent les solutions de l\u2019\u00e9quation de propagation de la lumi\u00e8re.  <\/p>\n\n\n\n

Ces modes gardent donc le m\u00eame profil pendant la propagation. Ils peuvent se dilater ou fluctuer en pr\u00e9sence de turbulences atmosph\u00e9riques, mais dans l’ensemble, les modes sont pr\u00e9serv\u00e9s. Les modes spatiaux comme les modes Hermite-Gaussien ou Laguerre-Gaussien forment une base spatiale. Ils peuvent \u00eatre utilis\u00e9s de mani\u00e8re pratique pour d\u00e9crire tout profil spatial d’un faisceau lumineux.  <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Combinaison<\/picture>
Figure 1 : Les 10 premiers modes de Laguerre-Gaussian  ( <\/em>LGpl avec \ud835\udc5d \u2208 \u2115, \ud835\udc59 \u2208 \u2124)  LG0,0<\/sub>, LG0,\u22121<\/sub>, LG0,1<\/sub>, LG0,\u22122<\/sub>, LG0,2<\/sub>, LG1,0<\/sub>, LG0,\u22123<\/sub>, LG0,3<\/sub>, LG1,\u22121 <\/sub>et LG1,1<\/sub><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
2- Quel serait le combineur id\u00e9al\u202f?<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n

Dans le cadre d\u2019un faisceau multimode compos\u00e9 de N modes LG (voir figure 2) de puissance \u00e9gale et incoh\u00e9rent entre eux, on peut \u00e9crire le M\u00b2 comme la moyenne des modes LG additionn\u00e9s\u202f(1)<\/sup>: <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Image<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Cette derni\u00e8re \u00e9quation va nous permettre num\u00e9riquement de remonter aux caract\u00e9ristiques d\u2019un combineur optimal puisque l\u2019on peut montrer que celle-ci est la superposition des modes de Laguerre-Gauss qui poss\u00e8dent le plus faible M\u00b2. <\/p>\n\n\n\n

L\u2019expression du M2<\/sup>multimode<\/sub> donne le tableau suivant\u202f: <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Tableau<\/picture>
Figure 2 : Evolution du M\u00b2 th\u00e9orique et du M\u00b2 cumul\u00e9 en fonction<\/em> du nombre de mode en entr\u00e9e du combineur.<\/em> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Il est ainsi th\u00e9oriquement possible de combiner 10 faisceaux monomodes incoh\u00e9rents de m\u00eame puissance en un faisceau multimode ayant un M\u00b2=3. <\/p>\n\n\n\n

Le profil d’intensit\u00e9 de la somme des 10 modes LG est indiqu\u00e9 dans la figure suivante\u202f: <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Undefined<\/picture>
Figure 3 : Comparaison d’un faisceau gaussien monomode et de 10 modes LG combin\u00e9s de mani\u00e8re incoh\u00e9rente avec la m\u00eame taille de faisceau (simulations).<\/em> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

La somme incoh\u00e9rente des modes LG permet donc d’augmenter la puissance avec une d\u00e9t\u00e9rioration minimale du M\u00b2. <\/p>\n\n\n\n

En<\/strong> c<\/strong>onvertissant chaque source en entr\u00e9e dans un mode LG donn\u00e9 et en combinant <\/strong>(sommant) chaque <\/strong>entr\u00e9e convertie<\/strong>, on<\/strong> <\/strong>r\u00e9alise une combinaison avec un faisceau de sortie optimal.<\/strong> <\/p>\n\n\n\n

3- Par quel moyen r\u00e9aliser <\/strong>cette<\/strong> combinaison optimale\u202f?<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n

En d\u2019autres termes, quel composant est capable de convertir chaque entr\u00e9e en un mode spatial donn\u00e9 tout en garantissant des pertes ma\u00eetris\u00e9es afin d\u2019obtenir une bonne efficacit\u00e9 de combinaison\u202f? <\/p>\n\n\n\n

La force de la technologie MPLC<\/a> (Multi-Plane Light Conversion) de Cailabs est sa capacit\u00e9 \u00e0 pouvoir convertir, manipuler et d\u00e9composer tout faisceau sous forme de mode dans une base donn\u00e9e. <\/p>\n\n\n\n

Le MPLC permet de transformer un nombre donn\u00e9 de lasers monomodes en le m\u00eame nombre de modes de Laguerre-Gauss de plus faibles ordres. Le composant<\/strong> <\/strong>r\u00e9alise <\/strong>ainsi <\/strong>la combinaison optimale de sources incoh\u00e9rentes <\/strong>et<\/strong> limite au mieux la divergence du faisceau combin\u00e9. <\/strong> <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Image<\/picture>
Figure 4 : Combinaison incoh\u00e9rente de 4 faisceaux laser \u00e0 l\u2019aide d\u2019un MPLC<\/em> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
4- C\u2019est bien beau la th\u00e9orie mais \u00e7a donne quoi dans la pratique\u202f?<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n

L\u2019outil trouv\u00e9, la th\u00e9orie restait d\u00e9sormais \u00e0 \u00eatre valid\u00e9e exp\u00e9rimentalement. <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Giphy<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

C\u2019est ce que Cailabs a entrepris en 2017 en obtenant des performances tr\u00e8s proches des valeurs du M2<\/sup>theorique <\/sub>explicit\u00e9es plus haut. <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Undefined<\/picture>
Figure 5 : M\u00b2 vs le nombre de modes d’entr\u00e9e LG de 1 \u00e0 10 (voir annexe)<\/em> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
5- Perspectives<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n

Depuis 2017, Cailabs s\u2019efforce d\u2019am\u00e9liorer encore ces r\u00e9sultats en s\u2019attelant \u00e9galement \u00e0 proposer des combineurs toujours plus puissants et efficaces.  <\/p>\n\n\n\n

\n
\"Undefined<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n

Tout cela fait aujourd\u2019hui du MPLC une technologie majeure et incontournable dans la perspective de proposer \u00e0 tr\u00e8s court terme, des sources combin\u00e9es incoh\u00e9rentes avec une bonne qualit\u00e9 de faisceau de sortie.  <\/p>\n\n\n\n

Les syst\u00e8mes optroniques dans le MIR, comme par exemple les applications de contremesures<\/a> sont aujourd\u2019hui en recherche de sources fortes puissances autour de 4 \u00e0 5\u00b5m, la puissance des sources actuelles se trouvant limit\u00e9e. Les combineurs incoh\u00e9rents Cailabs permettront ainsi de franchir ce gap\u2026et de chauffer plus rapidement vos soupes\u2026 <\/p>\n\n\n\n

Sources\u202f:<\/strong> <\/p>\n\n\n\n

(1)<\/sup> Fast adaptive laser shaping based on multiple laser incoherent combining – L. Garcia, O. Pinel, P. Jian, N. Barr\u00e9, L. Jaffr\u00e8s, J.-F. Morizur, G. Labroille – SPIE Photonics West LASE, 10097-3 (2017) -\u202fLire l’abstract<\/a> <\/p>\n\n\n\n

Annexe\u202f:<\/strong> Norme ISO 11146-1:2004\u202f: <\/p>\n\n\n\n

Le M\u00b2 est calcul\u00e9 comme la moyenne des M\u00b2x et M\u00b2y mesur\u00e9s sur les deux axes orthogonaux \u00e0 l’axe de propagation. <\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n
\n
\n
\"Tangi<\/picture><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
\n

Par Tangi Le Guennic<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Ing\u00e9nieur INSA sp\u00e9cialis\u00e9 en science des mat\u00e9riaux et en optique, Tangi Le Guennic est chef de produits et projets \u00e0 Cailabs. Il poss\u00e8de une solide exp\u00e9rience en R&D dans le d\u00e9veloppement de capteurs optiques pour les syst\u00e8mes a\u00e9ronautiques ainsi que dans la gestion de projets de vision industrielle. A Cailabs, Tangi travaille sur le d\u00e9veloppement et la commercialisation de solutions optiques innovantes pour les applications PROTEUS et Custom (d\u00e9fense, a\u00e9ronautique, automobile, biom\u00e9dical…).<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

\n

Nos autres articles :<\/h2>\n\n\n\n
\n