WO2025124993A1 - Dispositif de mise en phase laser avec un convertisseur multiplan - Google Patents

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Romain DEMUR
Eric Lallier
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    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers

Definitions

  • TITLE Laser phasing device with a multiplane converter
  • the present invention relates to the coherent combination of lasers and more particularly to the coherent combination using a spatial light multiplexer of the multiplane converter device type or MPLC, for MultiPlane Light Conversion.
  • Coherent laser combining is an effective solution for pooling the power of N lasers of more modest powers and thus increasing the output power while maintaining beam quality close to the diffraction limit.
  • quantum cascade lasers (QCLs) emitting in the mid-infrared for optronic countermeasures
  • coherent combination of lasers can be applied to different laser technologies, for different applications such as fiber lasers for laser weapons, or free space telecommunications.
  • Active phasing involves measuring the phase of each laser and using a phase modulator associated with each phase-locked laser. This solution is complex and expensive to implement. Furthermore, there are no high-performance phase modulators with low losses for all wavelengths of interest, for example for the mid-IR range 3-12 pm.
  • Dammann grating diffractive optical element or DOE
  • the passive coherent combination of QCLs with a diffractive component, called Dammann grating is for example described in the publication by G. Bloom et al "Passive coherent beam combining of quantum-cascade lasers with a Dammann grating," Opt. Lett. 36, 3810-3812 (2011) and illustrated in Figure 1.
  • the principle consists of generating and amplifying the laser beams in individual gain media located inside a common resonator. This common resonator generates the feedback on all the lasers and selects an output supermode.
  • the resonator common to all the QCLs, must “find” a longitudinal mode common to all the channels, in the band of gain of the QCLs. To do this, it is necessary to introduce a difference in optical path between the different channels, hoping that statistically a longitudinal mode common to all channels exists.
  • the present invention relates to a device for phasing laser beams comprising:
  • each semi-open cavity comprising a gain medium and an associated mirror called a cavity bottom mirror, and being configured to generate a collimated elementary beam
  • a multi-plane conversion device configured to convert a set of N input spatial modes forming an input basis into a set of N output spatial modes forming an output basis, the output basis comprising a desired output spatial mode, called the main mode, and N-1 other output modes called secondary modes,
  • a partially reflective output mirror configured to form, with the N cavity bottom mirrors, a laser cavity common to said plurality of gain media in which the multiplane conversion device is arranged and allowing the coherent combination of said elementary beams
  • the N elementary beams collimated in phase being configured to form an input spatial mode of the multiplane conversion device chosen so that the multiplane conversion device generates the main mode, associated with a main beam,
  • the output mirror being configured to partially reflect said main beam.
  • the multiplane conversion device is further configured so that the main mode is spatially separated from the N-1 secondary modes.
  • the output mirror has a concave surface and is arranged so that the main beam is located at the center of said output mirror.
  • the output mirror has a dimension suitable for reflecting only the main beam.
  • each semi-open cavity is a semi-open cavity of a quantum cascade laser.
  • each gain medium is an optically pumped active optical fiber and the associated cavity bottom mirror is a fibered Bragg mirror.
  • each gain medium is a laser crystal, the cavity bottom mirror consisting of a face treated to reflect a laser wavelength serving as a cavity bottom mirror or a separate mirror.
  • the multiplane conversion device is configured so that the main beam is Gaussian.
  • the multiplane conversion device is configured so that the chosen input spatial mode corresponds to a substantially equal amplitude of the N elementary beams. [0023] According to one embodiment, the multiplane conversion device is configured so that all the secondary modes are located at the same position.
  • each gain medium is pumped via a supply current, further comprising a detector configured to detect a fraction of the main beam at the exit of the cavity and control electronics configured to feedback on the supply currents so as to maximize a power of the detected beam.
  • each gain medium is pumped via a supply current, further comprising a detector configured to detect at least a fraction of at least one secondary beam associated with a secondary mode and control electronics configured to feedback on the supply currents so as to minimize a power of the at least one secondary beam detected.
  • Figure 1 already cited illustrates the phasing of lasers with a diffractive component arranged in a common cavity of the state of the art.
  • Figure 2 illustrates the block diagram of an MPLC type device known from the state of the art.
  • Figure 5 illustrates a second example of input/output of a multiplexing with an MPLC, called “non-mode selective”.
  • the input base is formed of four combinations of four simultaneously lit beams, the amplitude of which is substantially equal and the phase relationship controlled (the constant amplitude and the phase relationships defining the input base), and the output base is identical to that of the example of Figure 4.
  • Figure 7 illustrates an MPLC type device in which the output beam comprises four spatially separated FLS output elementary beams.
  • Figure 8 illustrates a phasing device according to the invention.
  • FIG 9 illustrates another example of input/output of an MPLC according to the invention suitable for producing the device according to the invention, in which the MPLC is configured so that all the secondary modes are located at the same position different from the position of the main beam.
  • Figure 10 illustrates the overall beam at the output of the MPLC, before (A) and after (B) the closing of the cavity by the output mirror, for an output base composed of spatially separated Gaussian beams.
  • Figure 11 illustrates an embodiment in which the output mirror has a concave surface and is arranged such that the main beam is located in the center of the output mirror.
  • Figure 12 illustrates another embodiment in which the output mirror has a dimension adapted to reflect only the main beam.
  • Figure 13 illustrates an embodiment in which each gain medium is an optically pumped active optical fiber and the associated cavity bottom mirror is a fiber Bragg mirror.
  • Figure 14 illustrates a variant of the device according to the invention in which a detected power is used for optimizing the power of the output beam.
  • the detector is configured to detect a fraction of the output beam and the SCE electronics feed back on the supply currents so as to maximize the power of the detected beam and therefore of the output beam.
  • the detector is configured to detect at least a fraction of at least one secondary beam associated with a secondary mode.
  • Figure 15 illustrates a device according to the invention with a strip of QCLs as a gain medium and feedback according to the second embodiment of the variant.
  • Figure 16 illustrates a device according to the invention with active optical fibers as gain medium and feedback according to the first embodiment of the variant.
  • the phasing device uses a spatial light multiplexer called a multiplane conversion device or MPLC inserted in a cavity common to the different lasers to be phased.
  • MPLC spatial light multiplexer
  • light radiation is defined as radiation formed from at least one mode of the electromagnetic field, each mode forming a spatio-temporal distribution of the amplitude, phase and polarization of the field.
  • the modification or transformation of the phase of the light radiation designates the spatio-temporal modification or transformation of each of the modes of the radiation.
  • shape refers to the transverse distribution of the amplitude and phase of the mode or the combination of the transverse distributions of amplitude and phase of the modes composing this radiation/beam.
  • the MPLC device illustrated in Figure 2, implements means capable of modifying the shape of an incident light beam. This modification can be precisely described in modal form, that is to say by defining how input modes forming a family of modes defined in a transverse input plane PE, are transformed into output modes of a family of output modes defined in a transverse output plane PS.
  • the families of input and output modes form orthonormal bases.
  • a multiplane MPLC device is designed to transform a base of predefined input modes into a base of output modes that are also predefined. The choice of the input base and the output base determines the design of the MPLC.
  • the base of input modes implements N elementary input beams FLI spatially separated, collectively forming, in an input plane transverse to said beams PE, an incident light beam ILB.
  • the MLPC component generates in an output plane PS an output light beam OLB materialized in figure 2 by the output beam FLS.
  • a maximum of energy (theoretically 100%) of the incident radiation present in the input modes is transported into a so-called target output mode.
  • the MPLC device for example described in documents WO201 9/162637 and WO 2020/161126, performs a unitary modal transformation.
  • a multi-plane conversion device comprises a plurality of phase masks separated by a propagation in free space, and provides a succession of reflections and/or transmissions through these phase masks.
  • a succession of reflections is illustrated
  • at least some of the optical parts 5 on which the reflections (and/or transmissions) take place and which guide the propagation of the radiation have a microstructured surface which modifies the light radiation incident on said part.
  • Such an optical part forms a phase mask introducing a local phase shift within the transverse section of the radiation which is reflected there or transmitted there.
  • the optical input stage EE is for example formed from a bundle of optical fibers making it possible to position the input light beams FLI opposite the rest of the optical device 1.
  • the output stage may comprise optical elements for shaping the output beam and/or complementary output beams. But the input and/or output plane may also be formed from a fictitious plane transverse to the input or output beams, which in this case propagate freely.
  • the input light beams FLI can be distributed, in the PE plane, in a single direction, in a bar. They can also be distributed in this PE plane in two directions, in a matrix or in a hexagonal distribution. Any number of such beams can be provided, for example 2 to 10, more than 10, or even several tens.
  • MS use the input base is formed by four spatial input modes (EM1, EM2, EM3, EM4) corresponding to four combinations of four spatially separated beams, only one of which is on at a time.
  • the output base is made up of four Hermite-Gauss modes (OM1, OM2, OM3, OM4) located at the same position. All output modes are spatially superimposed, and each output mode comes from a single input light beam FLI.
  • the output base is identical to the input base of Figure 4, i.e. a set of four spatially separated beams.
  • the OLB output beam then comprises four spatially separated FLS output elementary beams.
  • an FLS output beam is an HGoo mode.
  • the phase of the FLI input beams is controlled as illustrated in Figure 6, only one lit FLS output beam is present at a time.
  • the MPLC theoretically makes it possible to combine all the power of the N FLI input beams in the “perfect” HG 00 mode.
  • the phasing device 10 comprises a plurality of N semi-open cavities, each semi-open cavity comprising a gain medium GM and an associated mirror MC called cavity back mirror.
  • each semi-open cavity is configured to generate an elementary beam EB (on the side opposite that of the mirror MC) which is collimated, typically with a dedicated microlens CL.
  • the device 10 also comprises a multi-plane conversion device MPLC configured to convert a set of N input spatial modes forming an input basis into a set of N output spatial modes forming an output basis, the principle of which has been described above.
  • the output basis comprises a desired output spatial mode, called the main mode PM, and N-1 other output modes called secondary modes SM.
  • the device further comprises a partially reflecting output mirror OM configured to form, with the N cavity bottom mirrors, a laser cavity common to the plurality of gain media, in which the MPLC device is arranged.
  • a partially reflecting output mirror OM configured to form, with the N cavity bottom mirrors, a laser cavity common to the plurality of gain media, in which the MPLC device is arranged.
  • the N elementary beams collimated in phase are configured to form an input spatial mode of the multiplane conversion device MPLC chosen so that the multiplane conversion device generates the desired output spatial mode or main mode PM, associated with a main beam PB.
  • the plurality of elementary beams thus enters an MPLC component designed to perform the coherent combination of the beams.
  • the N elementary beams form the supermode as described above: a particular output mode, the so-called main mode, corresponds to a given phase play of the input channels.
  • the reflecting mirror is configured to partially reflect the main beam FB.
  • Secondary beams SB are associated with the secondary output modes. If all the output beams, i.e. the main beam (main mode) and the secondary beams (secondary modes), are located at the same position (example of FIG. 5), the cavity is capable of lasing on one or other of these modes, or even of jumping from one mode to the other, and the selection of the main mode is not easy.
  • the multiplane conversion device MPLC is further configured so that the main mode is spatially separated from the N-1 other output modes called secondary modes SM, and the main beam is partially reflected by the output mirror.
  • the spatial separation of the main beam PB from the secondary beams SB makes it possible, via the mirror OM, to select with certainty the main mode as the mode on which the resonator formed by the common cavity will lase.
  • FIG. 6 An example of input/output of an MPLC suitable for producing the device 10 according to the invention is illustrated in FIG. 6.
  • the multiplane conversion device is configured so that the secondary modes, i.e. the secondary beams SB, are located at a different position B, C, D, themselves different from the position A of the main beam FB.
  • FIG. 9 Another example of input/output of an MPLC according to the invention suitable for producing the device 10 according to the invention is illustrated in FIG. 9.
  • the multiplane conversion device is configured so that all the secondary modes, i.e. all the secondary beams SB, are located at the same position P2, different from the position P1 of the beam PB.
  • the output base is a Hermite-Gauss base.
  • the output basis is for example chosen from: a Hermite-Gauss basis (see figure 9), a Laguerre-Gauss basis, a basis of spatially separated beams (see figure 6), any other basis.
  • the multiplane conversion device is configured so that the main beam is Gaussian, i.e. according to the HGoo- mode.
  • the chosen input spatial mode corresponds to a substantially equal amplitude of the N elementary beams.
  • the MPLC is preferably designed so that the elementary beams of the input supermode have an identical intensity.
  • the practical implementation of the MPLC leads to different losses on each of the channels, and according to one embodiment, these differentiated losses are compensated for on the input power of the N elementary beams.
  • the set of gain media constitutes the free space input of an MPLC allowing the coherent combination of beams to be carried out, i.e. an output mode corresponds to a phase distribution of the input modes, for a power substantially equal on all the channels.
  • a laser output coupler (partially reflecting mirror) closes the resonator common to all the channels.
  • the beam at the output of the device 10 according to the invention is then a laser beam of minimal diffraction (Gaussian mode).
  • Figure 10 illustrates the overall beam at the output of the MPLC, OLB, before (A) and after (B) the closing of the cavity by the mirror OM, for an output base composed of spatially separated Gaussian beams.
  • A the elementary input beams have any phase between them, the OLB beam is a random superposition of all the output modes and the incident energy is distributed in all the output beams.
  • B the cavity is closed and lases on the main mode, the elementary input beams have a phase relationship corresponding to the input supermode associated with the main mode.
  • all the energy is concentrated in the main beam FP due to the closing of the cavity whose resonance naturally selects the main beam FP.
  • a small fraction of the energy is found in the secondary beams due to manufacturing imperfections of the MPLC component.
  • MPLC as a common resonator for passive phasing makes it possible to overcome the constraints of known state-of-the-art techniques, with simpler practical implementation.
  • the production of MPLCs is controlled by a supplier (Cailabs company) who finely controls their alignment, unlike solutions based on diffractive components (DOE, for example Dammann grating).
  • DOE diffractive components
  • the alignment of the MPLC component is certainly critical, similar to that of a DOE, but is controlled by the supplier who mass-produces it.
  • the proposed MPLC-based solution according to the invention benefits from an already existing value chain, facilitating its implementation.
  • the MPLC component theoretically allows a concentration of 100% of the energy of the elementary input beams in the main output beam.
  • An MPLC has the advantage of having low losses and therefore of limiting the losses of the resonator and of optimizing the laser power.
  • this component is robust, its alignment is well controlled and the size of the component is limited.
  • the solution according to the invention obtained is then compact and suitable for military environments.
  • the device according to the invention is particularly well suited to the pooling of a few optical channels, making it possible to achieve the ten watts of optical output power required for optronic countermeasure applications.
  • the resulting system is compact, robust and easy to implement. It does not require the addition of phase modulators.
  • the output mirror OM has a concave surface and is arranged so that the main beam is located in the center of the output mirror, as illustrated in Figure 11.
  • the radius of curvature of the output coupler naturally selects a single spot.
  • each semi-open cavity is a semi-open cavity of a quantum cascade laser or QCL.
  • QCL lasers emit in the mid to far IR (including the 3-12 pm band).
  • the MC cavity bottom mirror is a reflective deposit deposited on one face of the gain medium.
  • the QCLs are arranged on a strip, or are placed side by side on the same chip, so that they are close enough to each other to constitute the input of the MPLC component. Coupling the beams at the output of the gain medium on the side opposite the MC mirrors with a matrix of micro-lenses, or individually placed lenses, achieves the collimation of the beams.
  • each gain medium is an active optical fiber AF optically pumped, typically by a laser diode DL, and the associated cavity bottom mirror is a fibered Bragg mirror BM, as illustrated
  • the Bragg mirror is either external and connected to the fiber or directly inscribed in the active fiber.
  • the active optical fiber is typically doped with Yb, Er, Tm, Ho, Nd, etc. This embodiment is suitable for the emission of wavelengths around 1 pm, 1.5 pm and 2 pm.
  • each gain medium is a laser crystal, the cavity bottom mirror being made up of either a face treated to reflect a laser wavelength serving as a cavity bottom mirror, or a separate mirror.
  • the associated wavelengths are diverse, depending on the crystal used, for example 1064 nm for Nd, 1030 nm for Yb, and around 1550 nm for Er.
  • a feedback of the output power of the device 10 is carried out on the pump current of the different laser channels, so as to optimize the total output power by correctly balancing the channels.
  • each gain medium it is appropriate for each gain medium to be pumped via an AC supply current.
  • This pumping is either direct, as for example for QCLs which are electrically pumped, or indirect as for example for active optical fibers which are optically pumped by laser diodes, themselves electrically pumped via a supply current.
  • the power of each semi-open cavity is optimized to minimize losses for a given cavity and therefore optimize output power. Feedback also helps find a common longitudinal laser mode.
  • the device according to the invention further comprises a detector Det configured to detect the power on which the feedback operates and a control electronics SCE configured to feedback on the different AC supply currents.
  • the detector Det is configured to detect a fraction of the output beam PBout and the electronics SCE feedbacks on the supply currents so as to maximize the power of the fraction of PBout detected, and therefore the power of the output beam Pout.
  • a sampling blade BS is positioned on the path of PBout, which has the disadvantage of sampling a fraction of PBout which is therefore not available for the application.
  • the detector Det is configured to detect at least a fraction of at least one secondary beam SB associated with a secondary mode, and to feedback on the supply currents so as to minimize the power of the at least one secondary beam detected.
  • the detector is configured to detect all the secondary beams, either using focusing optics or because the MPLC has been designed so as to locate all the secondary modes at the same position (see for example Figure 9). This configuration has the advantage of not impacting the power of the output beam PBout.
  • a device 10 according to the invention with a strip of QCLs as gain medium and feedback according to the second embodiment of the variant is illustrated in figure 15.
  • FIG. 16 A device 10 according to the invention with active optical fibers as gain medium and feedback according to the first embodiment of the variant is illustrated in figure 16.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mise en phase de faisceaux lasers (10) comprenant : − une pluralité de N cavités semi-ouvertes, − un dispositif de conversion multiplan (MPLC) configuré pour convertir un ensemble de N modes spatiaux d'entrée formant une base d'entrée en un ensemble de N modes spatiaux de sortie formant une base de sortie, − un miroir de sortie (OM) partiellement réfléchissant configuré pour former, avec les N miroirs de fond de cavité, une cavité laser commune à ladite pluralité de milieux à gain et permettant la combinaison cohérente desdits faisceaux élémentaires, − les N faisceaux élémentaires collimatés en phase étant configurés pour former un mode spatial d'entrée du dispositif de conversion multiplan choisi de sorte que le dispositif de conversion multiplan génère le mode principal (PM), associé à un faisceau principal (PB), − le miroir de sortie étant configuré pour réfléchir partiellement ledit faisceau principal.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif de mise en phase laser avec un convertisseur multiplan
DOMAINE DE L’INVENTION
[0001] La présente invention concerne la combinaison cohérente de lasers et plus particulièrement la combinaison cohérente utilisant un multiplexeur spatial de lumière de type dispositif convertisseur multiplan ou MPLC, pour MultiPlane Light Conversion.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0002] La combinaison cohérente de lasers est une solution efficace pour mettre en commun la puissance de N lasers de puissances plus modestes et ainsi augmenter la puissance en sortie tout en conservant une qualité de faisceau proche de la limite de diffraction.
[0003] En effet à titre d’exemple les applications de contre mesure optronique nécessitent la génération de signaux moyens infrarouge suffisamment puissants pour éblouir, voir détruire les capteurs thermiques des missiles. Cela nécessite des puissances supérieures à 10 W. Le développement de tels lasers est un défi technologique important.
[0004] Ces puissances peuvent être obtenues par conversion paramétrique de sources proche-infrarouges mais au prix d’une grande complexité et sont limitées à des régimes impulsionnels. D’un autre côté, les lasers à cascades quantiques (QCL) sont de bons candidats pour ces applications mais sont limités à environ 2 W en régime continu. Ainsi pour obtenir la puissance nécessaire, la combinaison cohérente de quelques QCL est une option pouvant résoudre ce problème.
[0005] Outre les lasers à cascade quantique (QCLs) émettant dans le moyen- infrarouge pour les contre-mesures optroniques, de manière plus générale la combinaison cohérente de lasers peut être appliquée à différentes technologies lasers, pour différentes applications telles que les lasers à fibres pour l’arme laser, ou les télécommunications espace libre.
[0006] De très nombreuses méthodes de combinaison cohérente ont été proposées, plus ou moins complexes à mettre en oeuvre, et avec des efficacités de combinaison variables. Un des principaux challenges est de mettre en phase les différents lasers pour former un seul faisceau de diffraction minimale en sortie du système.
[0007] On distingue la mise en phase active et passive. La mise en phase active implique de mesurer la phase de chaque laser et d’utiliser un modulateur de phase associé à chaque laser asservi en phase. Cette solution est complexe et coûteuse à mettre en oeuvre. En outre il n’existe pas de modulateurs de phase performants avec peu de pertes pour toutes les longueurs d’onde d’intérêt, par exemple pour la gamme du moyen IR 3-12 pm.
[0008] Pour des applications nécessitant un nombre restreint de voies à mettre en phase, la formation d’une unique cavité laser contenant toutes les voies est une solution adaptée pour réduire la complexité de mise en oeuvre car elle ne nécessite pas l’ajout de modulateurs de phase à asservir (mise en phase passive).
[0009] Cela a été mis en oeuvre dans différentes configurations pour former une cavité commune, parmi lesquelles on peut citer le réseau de Dammann (élément optique diffractif ou DOE). La combinaison cohérente passive de QCLs avec un composant diffractif, dénommé réseau de Dammann, est par exemple décrite dans la publication de G. Bloom et al "Passive coherent beam combining of quantum-cascade lasers with a Dammann grating," Opt. Lett. 36, 3810-3812 (2011 ) et illustrée figure 1. Le principe consiste à générer et amplifier les faisceaux laser dans des milieux à gain individuels localisés à l’intérieur d’un résonateur commun. Ce résonateur commun génère la rétroaction sur tous les lasers et sélectionne un supermode de sortie. Pratiquement un ensemble de QCLs (QCL1 à QCL5), chaque QCL étant à cavité semi-ouverte (un seul miroir présent côté fond de cavité) et collimaté par une lentille CL, sont incidents sur le réseau de Damman DG selon des angles associés aux différents ordres de diffraction du réseau. Le réseau est calculé pour que toute l’énergie soit en théorie concentrée dans l’ordre 0. Un miroir partiellement réfléchissant OC ferme la cavité laser commune à tous les QCLs.
[0010] Dans cette configuration le résonateur, commun à tous les QCL, doit « trouver » un mode longitudinal commun à toutes les voies, dans la bande de gain des QCL. Pour cela, il faut introduire une différence de chemin optique entre les différentes voies, en espérant que statistiquement un mode longitudinal commun à toutes les voies existe.
[0011] Outre un réseau de Damman, la mise en phase passive basée sur la sélection d’un supermode peut être réalisée avec un autre filtre spatial telle une cavité de Michelson ou par effet Talbot.
[0012] Cependant ces configurations sont complexes à mettre en oeuvre, en particulier en termes de tolérancement à l’alignement, de stabilité et à cause de la nécessité d’introduire une différence de chemin optique entre toutes les voies, ce qui limite la puissance maximale de sortie. Ainsi cette configuration présente une efficacité limitée. De plus la réalisation d’un réseau de Damman performant n’est pas aisée.
[0013] Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif de mise en phase laser selon une configuration basée sur la réalisation d’une cavité commune et utilisant un composant facilement disponible et qui ne présente pas de problèmes d’alignement.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
[0014] La présente invention a pour objet un dispositif de mise en phase de faisceaux lasers comprenant :
- une pluralité de N cavités semi-ouvertes, chaque cavité semi-ouverte comprenant un milieu à gain et un miroir associé dénommé miroir de fond de cavité, et étant configurée pour générer un faisceau élémentaire collimaté,
- un dispositif de conversion multiplan configuré pour convertir un ensemble de N modes spatiaux d’entrée formant une base d’entrée en un ensemble de N modes spatiaux de sortie formant une base de sortie, la base de sortie comprenant un mode spatial de sortie souhaité, dénommé mode principal, et N-1 autres modes de sortie dénommés modes secondaires,
- un miroir de sortie partiellement réfléchissant configuré pour former, avec les N miroirs de fond de cavité, une cavité laser commune à ladite pluralité de milieux à gain dans laquelle est disposé le dispositif de conversion multiplan et permettant la combinaison cohérente desdits faisceaux élémentaires,
- les N faisceaux élémentaires collimatés en phase étant configurés pour former un mode spatial d’entrée du dispositif de conversion multiplan choisi de sorte que le dispositif de conversion multiplan génère le mode principal, associé à un faisceau principal,
- le miroir de sortie étant configuré pour réfléchir partiellement ledit faisceau principal.
[0015] Selon un mode de réalisation le dispositif de conversion multiplan est en outre configuré pour que le mode principal soit spatialement séparé des N-1 modes secondaires.
[0016] Selon un mode de réalisation le miroir de sortie présente une surface concave et est disposé de sorte que le faisceau principal soit situé au centre dudit miroir de sortie.
[0017] Selon un mode de réalisation le miroir de sortie présente une dimension adaptée pour réfléchir uniquement le faisceau principal.
[0018] Selon un mode de réalisation chaque cavité semi-ouverte est une cavité semi- ouverte d’un laser à cascade quantique.
[0019] Selon un autre mode de réalisation chaque milieu à gain est une fibre optique active pompée optiquement et le miroir de fond de cavité associé est un miroir de Bragg fibré.
[0020] Selon encore un autre mode de réalisation chaque milieu à gain est un cristal laser, le miroir de fond de cavité étant constitué d’une face traitée pour réfléchir une longueur d’onde laser servant de miroir de fond de cavité ou d’un miroir séparé.
[0021] Selon un mode de réalisation le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que le faisceau principal soit gaussien.
[0022] Selon un mode de réalisation le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que le mode spatial d’entrée choisi corresponde à une amplitude sensiblement égale des N faisceaux élémentaires. [0023] Selon un mode de réalisation le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que tous les modes secondaires soient localisés à la même position.
[0024] Selon une variante chaque milieu à gain est pompé via un courant d’alimentation, comprenant en outre un détecteur configuré pour détecter une fraction du faisceau principal à la sortie de la cavité et une électronique d’asservissement configurée pour rétroagir sur les courants d’alimentation de manière à maximiser une puissance du faisceau détecté.
[0025] Selon une autre variante chaque milieu à gain est pompé via un courant d’alimentation, comprenant en outre un détecteur configuré pour détecter au moins une fraction d’au moins un faisceau secondaire associé à un mode secondaire et une électronique d’asservissement configurée pour rétroagir sur les courants d’alimentation de manière à minimiser une puissance de l’au moins un faisceau secondaire détecté.
[0026] La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention: ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.
[0027] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
[0028] La figure 1 déjà citée illustre la mise en phase de lasers avec un composant diffractif disposé dans une cavité commune de l’état de la technique.
[0029] La figure 2 illustre le schéma de principe d’un dispositif de type MPLC connu de l’état de la technique.
[0030] La figure 3 illustre un dispositif de type MPLC connu de l’état de l’art dans lequel s’opère une succession de réflexions sur des masques de phase séparées par des propagations en espace libre et des réflexions sur un miroir. [0031] La figure 4 illustre un premier exemple d’entrée/sortie d’un multiplexage opéré avec un dispositif de type MPLC, dénommé « mode-selective ».
[0032] La figure 5 illustre un deuxième exemple d’entrée/sortie d’un multiplexage avec un MPLC, dénommé « non-mode selective >>. La base d’entrée est formée de quatre combinaisons de quatre faisceaux simultanément allumés, dont l’amplitude est sensiblement égale et la relation de phase maîtrisée (l’amplitude constante et les relations de phase définissant la base d’entrée), et la base de sortie est identique à celle de l’exemple de la figure 4.
[0033] La figure 6 illustre un autre exemple d’entrée/sortie d’un multiplexage avec un MPLC de type « non-mode-selective >>. La base d’entrée est formée de quatre combinaisons de quatre faisceaux simultanément allumés et dont l’amplitude est sensiblement égale et la relation de phase maîtrisée comme dans la figure 5, et la base de sortie est identique à la base d’entrée de l’exemple de la figure 4.
[0034] La figure 7 illustre un dispositif de type MPLC dans lequel le faisceau de sortie comprend quatre faisceaux élémentaires de sortie FLS spatialement séparés.
[0035] La figure 8 illustre un dispositif de mise en phase selon l’invention.
[0036] La figure 9 illustre un autre exemple d’entrée/sortie d’un MPLC selon l’invention convenant pour la réalisation du dispositif selon l’invention, dans lequel le MPLC est configuré pour que tous les modes secondaires soient localisés à la même position différente de la position du faisceau principal.
[0037] La figure 10 illustre le faisceau global en sortie du MPLC, avant (A) et après (B) la fermeture de la cavité par le miroir de sortie, pour une base de sortie composée de faisceaux gaussiens spatialement séparés.
[0038] La figure 11 illustre un mode de réalisation dans lequel le miroir de sortie présente une surface concave et est disposé de sorte que le faisceau principal soit situé au centre du miroir de sortie.
[0039] La figure 12 illustre un autre mode de réalisation dans lequel le miroir de sortie présente une dimension adaptée pour réfléchir uniquement le faisceau principal. [0040] La figure 13 illustre un mode de réalisation dans lequel chaque milieu à gain est une fibre optique active pompée optiquement et le miroir de fond de cavité associé est un miroir de Bragg fibré.
[0041] La figure 14 illustre une variante du dispositif selon l’invention dans laquelle une puissance détectée est utilisée pour l’optimisation de la puissance du faisceau de sortie. Selon un premier mode de réalisation illustré en a) le détecteur est configuré pour détecter une fraction du faisceau de sortie et l’électronique SCE rétroagit sur les courants d’alimentation de manière à maximiser la puissance du faisceau détecté et donc du faisceau de sortie. Selon un deuxième mode de réalisation illustré en b) le détecteur est configuré pour détecter au moins une fraction d’au moins un faisceau secondaire associé à un mode secondaire.
[0042] La figure 15 illustre un dispositif selon l’invention avec une barrette de QCLs comme milieu à gain et une rétroaction selon le deuxième mode de réalisation de la variante.
[0043] La figure 16 illustre un dispositif selon l’invention avec des fibres optiques actives comme milieu à gain et une rétroaction selon le premier mode de réalisation de la variante.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
[0044] Le dispositif de mise en phase selon l’invention utilise un multiplexeur spatial de lumière dénommé dispositif de conversion multiplan ou MPLC inséré dans une cavité commune aux différents lasers à mettre en phase. Ce composant est connu de l’état de la technique et son principe de fonctionnement est rappelé ci- dessous. Sa réalisation est maîtrisée par exemple par la Société Cailabs en France.
[0045] On définit dans la présente demande un rayonnement lumineux comme un rayonnement formé d’au moins un mode du champ électromagnétique, chaque mode formant une distribution spatio-temporelle de l’amplitude, de la phase et de la polarisation du champ. La modification ou la transformation de la phase du rayonnement lumineux désigne la modification ou la transformation spatio- temporelle du chacun des modes du rayonnement. [0046] On désigne par « forme » d’un rayonnement/faisceau lumineux la distribution transverse de l’amplitude et de la phase du mode ou la combinaison des distributions transverses d’amplitude et de phase des modes composant ce rayonnement/faisceau.
[0047] Le dispositif MPLC, illustré figure 2, met en oeuvre des moyens aptes à modifier la forme d’un faisceau lumineux incident. Cette modification peut être précisément décrite sous forme modale, c’est à dire en définissant comment des modes d’entrée formant une famille de modes définie dans un plan transverse d’entrée PE, sont transformés en des modes de sortie d’une famille de modes de sortie définie dans un plan transverse de sortie PS. Les familles des modes d’entrée et de sortie forment des bases orthonormées. Ainsi un dispositif multiplan MPLC est conçu pour transformer une base de mode d’entrée prédéfinis en une base de modes de sortie également prédéfinis. Le choix de la base d’entrée et de la base de sortie détermine la conception du MPLC. La base de modes d’entrée met en oeuvre N faisceaux élémentaires d’entrée FLI séparés spatialement, formant collectivement, dans un plan d’entrée transverse auxdits faisceaux PE, un faisceau lumineux incident ILB. Le composant MLPC génère dans un plan de sortie PS un faisceau lumineux de sortie OLB matérialisé sur la figure 2 par le faisceau de sortie FLS.
[0048] Au cours de la conversion modale mise en oeuvre par le dispositif 1 , un maximum d’énergie (théoriquement 100%) du rayonnement incident présente dans les modes d’entrée est transporté dans un mode de sortie dit cible.
[0049] Le dispositif MPLC 1 , par exemple décrit dans les documents WO201 9/162637 et WO 2020/161126, opère une transformation modale unitaire.
[0050] Dans le dispositif 1 le rayonnement lumineux incident subit, dans le dispositif de conversion DC disposé entre le plan d’entrée PE et le plan de sortie PS, une succession de réflexions et/ou de transmissions au travers de masques de phase, chaque réflexion et/ou transmission étant suivie par une propagation du rayonnement en espace libre. Ainsi un dispositif de conversion multiplan comprend une pluralité de masques de phases séparés par une propagation en espace libre, et fournit une succession de réflexions et/ou de transmissions au travers de ces masques de phase. Un exemple dans lequel s’opère une succession de réflexions est illustré Typiquement certaines au moins des pièces optiques 5 sur lesquelles s’opèrent les réflexions (et/ou les transmissions) et qui guident la propagation du rayonnement, présentent une surface microstructurée qui modifie le rayonnement lumineux incident sur ladite pièce. Une telle pièce optique forme un masque de phase introduisant un déphasage local au sein de la section transverse du rayonnement qui s’y réfléchit ou qui s’y transmet.
[0051] Ainsi un rayonnement lumineux qui se propage au sein d’un dispositif MPLC subit une succession de déphasages locaux séparés par des propagations. La succession de ces transformations élémentaires (par exemple 4, 8, 10, 12, 14 voire 20 transformations élémentaires) établit une transformation globale du profil spatial du rayonnement lumineux incident. On configure donc les surfaces microstructurées de manière à transformer le rayonnement lumineux incident, qui présente une forme spécifique, en un rayonnement de sortie dont la forme est différente.
[0052] Sur la figure 3 le dispositif de conversion DC est constitué de deux pièces optiques réfléchissantes 2a, 2b disposées en vis-à-vis l’une de l’autre. Des masques de phase 5 microstructurés sont portés par l’une de ces pièces. Une cavité multi-passage est ainsi formée dans laquelle le rayonnement lumineux incident est réfléchi et déphasé une pluralité de fois au niveau de chaque masque 5 pour former le rayonnement transformé, permettant de former le rayonnement de sortie. Dans cet exemple les masques de phase 5 sont tous portés par une lame de phase 2a présentant des zones microstructurées formant les masques 5, la seconde pièce optique 2b étant un simple miroir.
[0053] L’étage optique d’entrée EE est par exemple formé d’un faisceau de fibres optiques permettant de positionner les faisceaux lumineux d’entrée FLI en vis-à- vis du reste du dispositif optique 1. L’étage de sortie peut comprendre des éléments optiques de mise en forme du faisceau de sortie et/ou des faisceaux de sortie complémentaires. Mais le plan d’entrée et/ou de sortie peut également être formé d’un plan fictif transverse aux faisceaux d’entrée ou de sortie, qui dans ce cas se propagent librement. [0054] Les faisceaux lumineux d’entrée FLI peuvent être répartis, dans le plan PE, selon une seule direction, en barrette. Ils peuvent également être répartis dans ce plan PE selon deux directions, en matrice ou selon une répartition hexagonale. On peut prévoir un nombre quelconque de tels faisceaux, par exemples 2 à 10, plus de 10, voire plusieurs dizaines.
[0055] Le dispositif 1 transforme ainsi une base de modes d’entrée associés aux N faisceaux incidents élémentaires FLI en une base de modes de sortie. Le changement de base opéré par le MPLC est une transformation unitaire spatiale du champ électromagnétique d’entrée. De manière connue la matrice de transfert T décrivant le changement de base opéré par le MPLC est une matrice de Hadamard ou de Fourier. Le principe de codage d’un MPLC par une matrice de Hadamard ou de Fourier est décrit par exemple dans le document de Wen et al « Scalable non-mode selective Hermite-Gaussian mode multiplexer based on multi-plane light conversion » Photonic Research Vol. 9 n°2 (2021 ). La matrice unitaire de Hadamard comprend uniquement des 1 et des -1 , celle de Fourier des coefficients complexes d’amplitude 1. Une fois la matrice de Hadamard ou de Fourier définie, les structures des masques de phase sont calculées par différents algorithmes également connus de l’homme de l’art.
[0056] Un premier exemple de multiplexage avec un MPLC est dénommé « mode- selective » MS, et une illustration d’une correspondance entrée/sortie est illustrée figure 4, avec N=4. Dans l’utilisation MS la base d’entrée est formée de quatre modes spatiaux d’entrée (EM1 , EM2, EM3, EM4) correspondant à quatre combinaisons de quatre faisceaux spatialement séparés, dont un seul est allumé à la fois. La base de sortie est constituée de quatre modes de Hermite-Gauss (OM1 , OM2, OM3, OM4) localisés à la même position. Tous les modes de sortie sont superposés spatialement, et chaque mode de sortie provient d’un seul faisceau lumineux d’entrée FLI.
[0057] Un deuxième exemple de multiplexage avec un MPLC, dénommé « non-mode selective» NMS, est illustré figure
Figure imgf000012_0001
6. La base d’entrée est formée de quatre combinaisons de quatre faisceaux simultanément allumés et dont l’amplitude est sensiblement égale et la phase est maîtrisée (0 ou K). L’amplitude constante et les valeurs de phase définissent la base d’entrée. Dans l’utilisation NMS chaque mode de sortie est issu de la superposition de tous les faisceaux lumineux d’entrée FLI.
[0058] Dans la figure 5 la base de sortie est identique à l’exemple de la figure 4 (modes HG).
[0059] Dans la figure 6 la base de sortie est identique à la base d’entrée de la figure 4, c’est à dire un ensemble de quatre faisceaux séparés spatialement. Comme illustré figure 7 le faisceau de sortie OLB comprend alors quatre faisceaux élémentaires de sortie FLS spatialement séparés. Par exemple un faisceau de sortie FLS est un mode HGoo. Lorsque la phase des faisceaux d’entrée FLI est maîtrisée tel qu’illustré figure 6, un seul faisceau de sortie FLS allumé est présent à la fois. Le MPLC permet théoriquement de combiner toute la puissance des N faisceaux d’entrée FLI dans le mode « parfait » HG00.
[0060] On désigne un mode de sortie préféré comme mode cible ou principal OMp correspondant au faisceau FLSp de la figure 7, et les trois (N-1) autres modes de sortie comme modes secondaires OMs, correspondant aux faisceaux FLSs. La base de modes d’entrée est constituée d’un super mode EMs transformé par le MPLC dans le mode de sortie principal, et de 3 (N-1 ) autres modes d’entrée EMe.
[0061] Dans cet exemple le supermode EMs se transforme en un faisceau gaussien à la position désirée (A) et les autres modes d’entrée EMe sont convertis en un faisceau FLSs à une position séparée spatialement (B, C et D). On obtient ainsi un décalage discret d’un faisceau de sortie HGoo en fonction des phases appliquées aux faisceaux d’entrée FLI. Cette utilisation NMS « pixel like » illustre la capacité d’un MPLC de réaliser un dépointage du faisceau de sortie, c’est à dire de déplacer la position du faisceau de sortie en fonction des différences de phase appliquées au N faisceaux d’entrée. Cette application d’intérêt est par exemple décrite dans la publication de Billaud et al « Optimal coherent beam combining based on Multi-Plane Light Conversion for high throughput optical feeder links », International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS) IEEE, 2019.
[0062] Il est également connu de l’état de la technique l’utilisation d’un composant MPLC pour réaliser une mise en phase active de plusieurs faisceaux lasers (QCLs) issus d’une même source maître et amplifiés individuellement, en association avec des modulateurs de phase (configuration dite à amplificateurs) comme décrit dans le document précité WO 2020/161126. Les faisceaux issus des différents amplificateurs sont contrôlés en phase à l’aide des modulateurs avant d’entrer dans le composant MPLC qui les combine spatialement. Cette solution, bien qu’efficace et pouvant fonctionner avec un grand nombre de voies, est complexe à mettre en oeuvre, en particulier avec des milieux amplificateurs de type QCL.
[0063] Le dispositif de mise en phase 10 selon l’invention est illustré
Figure imgf000014_0001
Il comprend une pluralité de N cavités semi-ouvertes, chaque cavité semi-ouverte comprenant un milieu à gain GM et un miroir associé MC dénommé miroir de fond de cavité. De plus chaque cavité semi-ouverte est configurée pour générer un faisceau élémentaire EB (du côté opposé à celui du miroir MC) qui est collimaté, typiquement avec une microlentille dédiée CL.
[0064] Le dispositif 10 comprend également un dispositif de conversion multiplan MPLC configuré pour convertir un ensemble de N modes spatiaux d’entrée formant une base d’entrée en un ensemble de N modes spatiaux de sortie formant une base de sortie, dont le principe a été décrit plus haut. La base de sortie comprend un mode spatial de sortie souhaité, dénommé mode principal PM, et N-1 autres modes de sortie dénommés modes secondaires SM.
[0065] Le dispositif comprend en outre un miroir de sortie OM partiellement réfléchissant configuré pour former, avec les N miroirs de fond de cavité, une cavité laser commune à la pluralité de milieux à gain, dans laquelle est disposé le dispositif MPLC. Avec la présence du miroir OM qui ferme la cavité, cette cavité commune à tous les milieux à gain permet la combinaison cohérente des faisceaux élémentaires EB. En effet l’utilisation d’une cavité commune à tous les « lasers » (cavités semi ouvertes + miroir OM), où la rétroaction optique est la même pour tous les lasers, sélectionne naturellement un mode laser (longitudinal et transverse) commun à tous les lasers. Cela effectue la combinaison cohérente de toutes les voies. On dénomme PBout le faisceau principal après sa sortie de la cavité (fraction de PB transmise par le miroir OM). [0066] Les N faisceaux élémentaires collimatés en phase sont configurés pour former un mode spatial d’entrée du dispositif de conversion multiplan MPLC choisi de sorte que le dispositif de conversion multiplan génère le mode spatial de sortie souhaité ou mode principal PM, associé à un faisceau principal PB. La pluralité de faisceaux élémentaires entre ainsi dans un composant MPLC conçu pour faire la combinaison cohérente des faisceaux. Les N faisceaux élémentaires forment le supermode tel que décrit plus haut : un mode de sortie particulier, le mode dit principal, correspond à un jeu de phase donné des voies d’entrée. Le miroir réfléchissant est configuré pour partiellement réfléchir le faisceau principal FB.
[0067] Des faisceaux secondaires SB sont associés aux modes secondaires de sortie. Si tous les faisceaux de sortie, c’est-à-dire le faisceau principal (mode principal) et les faisceaux secondaires (modes secondaires), sont localisés à la même position (exemple de la figure 5), la cavité est apte à laser sur l’un ou l’autre de ces modes, voire de sauter d’un mode à l’autre, et la sélection du mode principal n’est pas aisée. Ainsi préférentiellement le dispositif de conversion multiplan MPLC est en outre configuré pour que le mode principal soit spatialement séparé des N-1 autres modes de sortie dits modes secondaires SM, et le faisceau principal est partiellement réfléchi par le miroir de sortie. La séparation spatiale du faisceau principal PB des faisceaux secondaires SB permet, via le miroir OM, de sélectionner de manière certaine le mode principal comme le mode sur lequel le résonateur formé par la cavité commune va laser.
[0068] Un exemple d’entrée/sortie d’un MPLC convenant pour la réalisation du dispositif 10 selon l’invention est illustré sur la figure 6. Dans cet exemple le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que les modes secondaires, soit les faisceaux secondaires SB, soient localisés à une position différente B, C, D, elles-mêmes différentes de la position A du faisceau principal FB.
[0069] Un autre exemple d’entrée/sortie d’un MPLC selon l’invention convenant pour la réalisation du dispositif 10 selon l’invention est illustré figure 9. Dans cet exemple le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que tous les modes secondaires, soit tous les faisceaux secondaires SB, soient localisés à la même position P2, différente de la position P1 du faisceau PB. Dans cet exemple la base de sortie est une base de Hermite-Gauss. [0070] La base de sortie est par exemple choisie parmi : une base de Hermite-Gauss (voir figure 9), une base de Laguerre-Gauss, une base de faisceaux spatialement séparés (voir figure 6), toute autre base.
[0071] Préférentiellement pour la qualité du faisceau de sortie (diffraction minimale), le dispositif de conversion multiplan selon l’invention est configuré pour que le faisceau principal soit gaussien c’est-à-dire selon le mode HGoo-
[0072] Préférentiellement le mode spatial d’entrée choisi correspond à une amplitude sensiblement égale des N faisceaux élémentaires. En théorie le MPLC est préférentiellement conçu pour que les faisceaux élémentaires du supermode d’entrée présentent une intensité identique. Cependant la réalisation pratique du MPLC conduit à des pertes différentes sur chacune des voies, et selon un mode de réalisation on compense ces pertes différenciées sur la puissance d’entrée des N faisceaux élémentaires.
[0073] Ainsi l’ensemble de milieux à gain constitue l’entrée espace libre d’un MPLC permettant d’effectuer la combinaison cohérente de faisceaux, i.e. un mode de sortie correspond à une distribution de phase des modes d’entrée, pour une puissance sensiblement égale sur toutes les voies. En sortie du MPLC, un coupleur de sortie laser (miroir partiellement réfléchissant) ferme le résonateur commun à toutes les voies. Pour un MPLC conçu de sorte que le mode principal soit un faisceau gaussien, le faisceau en sortie du dispositif 10 selon l’invention est alors un faisceau laser de diffraction minimale (mode gaussien).
[0074] La figure 10 illustre le faisceau global en sortie du MPLC, OLB, avant (A) et après (B) la fermeture de la cavité par le miroir OM, pour une base de sortie composée de faisceaux gaussiens spatialement séparés. En A les faisceaux élémentaires en entrée présentent entre eux une phase quelconque, le faisceau OLB est une superposition aléatoire de tous les modes de sortie et l’énergie incidente est répartie dans tous les faisceaux de sortie. En B la cavité est fermée et lase sur le mode principal, les faisceaux élémentaires d’entrée présentent une relation de phase correspondant au supermode d’entrée associé au mode principal. En théorie toute l’énergie se concentre dans le faisceau principal FP du fait de la fermeture de la cavité dont la résonnance sélectionne naturellement le faisceau principal FP. En pratique une faible fraction de l’énergie se retrouve dans les faisceaux secondaires du fait des imperfections de fabrication du composant MPLC.
[0075] L’utilisation d’un MPLC comme résonateur commun pour la mise en phase passive permet de lever les contraintes des techniques connues de l’état de l’art, avec une mise en oeuvre pratique plus simple. En effet, la production de MPLCs est maîtrisée par un fournisseur (société Cailabs) qui en contrôle finement l’alignement, contrairement aux solutions à base de composants diffractifs (DOE, par exemple réseau de Dammann). L’alignement du composant MPLC est certes critique, similaire à celle d’un DOE, mais est maîtrisé par le fournisseur qui le produit en série. Ainsi, la solution proposée à base de MPLC selon l’invention bénéficie d’une chaîne de valeur déjà existante, facilitant sa mise en oeuvre.
[0076] Le composant MPLC permet en théorie une concentration de 100% de l’énergie des faisceaux élémentaires d’entrée dans le faisceau principal de sortie. Un MPLC a l’avantage d’avoir de faibles pertes et donc de limiter les pertes du résonateur et d’optimiser la puissance laser. De plus, ce composant est robuste, l’alignement de celui-ci est bien maîtrisé et l’encombrement du composant est limité. La solution selon l’invention obtenue est alors compacte et adaptée aux environnements militaires.
[0077] Le dispositif selon l’invention est particulièrement bien adapté à la mise en commun de quelques voies optiques, permettant d’atteindre la dizaine de watts de puissance optique en sortie nécessaire aux applications de contremesures optroniques. Le système obtenu est compact, robuste et facile à mettre en oeuvre. Il ne nécessite pas l’ajout de modulateurs de phase.
[0078] Selon un mode de réalisation le miroir de sortie OM présente une surface concave et est disposé de sorte que le faisceau principal soit situé au centre du miroir de sortie, tel qu’illustré figure 11 . Le rayon de courbure du coupleur de sortie sélectionne naturellement un seul spot.
[0079] Selon un mode de réalisation illustré figure 12 le miroir de sortie présente une dimension adaptée pour réfléchir uniquement le faisceau principal. Ce miroir est par exemple plan ou concave avec le faisceau principal disposé au centre du miroir. L’alignement du résonateur est dans ce dernier cas grandement simplifié. [0080] Selon un premier mode de réalisation chaque cavité semi-ouverte est une cavité semi-ouverte d’un laser à cascade quantique ou QCL. Typiquement les lasers QCL émettent dans IR moyen à lointain (incluant la bande 3-12 pm). Préférentiellement le miroir de fond de cavité MC est un dépôt réfléchissant déposé sur une face du milieu à gain. Préférentiellement les QCLs sont agencés sur une barrette, ou sont placés côte à côte sur une même puce, de sorte qu’ils soient suffisamment proches les uns des autres pour constituer l’entrée du composant MPLC. Le couplage des faisceaux à la sortie du milieu à gain du côté opposé aux miroirs MC avec une matrice de micro-lentilles, ou des lentilles placées individuellement, réalise la collimation des faisceaux.
[0081] Selon un deuxième mode de réalisation chaque milieu à gain est une fibre optique active AF pompée optiquement, typiquement par une diode laser DL, et le miroir de fond de cavité associé est un miroir de Bragg BM fibré, tel qu’illustré
Figure imgf000018_0001
. Le miroir de Bragg est soit extérieur et connecté à la fibre soit directement inscrit dans la fibre active. La fibre optique active est typiquement dopée Yb, Er, Tm, Ho, Nd... Ce mode de réalisation est adapté pour l’émission de longueurs d’onde autour de 1 pm, 1 .5 pm et 2 pm.
[0082] Selon un troisième mode de réalisation chaque milieu à gain est un cristal laser, le miroir de fond de cavité étant constitué soit d’une face traitée pour réfléchir une longueur d’onde laser servant de miroir de fond de cavité, soit d’un miroir séparé. Les longueurs d’onde associées sont diverses, fonction du cristal employé, par exemple 1064 nm pour Nd, 1030 nm pour Yb, et autour de 1550 nm pour Er.
[0083] Selon une variante on effectue une rétroaction de la puissance de sortie du dispositif 10 sur le courant de pompe des différentes voies laser, de manière à optimiser la puissance de sortie totale en équilibrant correctement les voies. Pour mettre en oeuvre cette variante il convient que chaque milieu à gain soit pompé via un courant d’alimentation AC. Ce pompage est soit direct, comme par exemple pour les QCLs qui sont pompés électriquement, soit indirect comme par exemple pour les fibres optiques actives qui sont pompées optiquement par des diodes lasers, elles-mêmes pompées électriquement via un courant d’alimentation. Avec la rétroaction la puissance de chaque cavité semi-ouverte est optimisée pour minimiser les pertes pour une cavité donnée et donc optimiser la puissance de sortie. La rétroaction permet également de trouver un mode laser longitudinal commun.
[0084] Selon cette variante le dispositif selon l’invention comprend en outre un détecteur Det configuré pour détecter la puissance sur laquelle s’opère la rétroaction et une électronique d’asservissement SCE configurée pour rétroagir sur les différents courants d’alimentation AC.
[0085] Selon un premier mode de réalisation illustré figure 14 a) le détecteur Det est configuré pour détecter une fraction du faisceau de sortie PBout et l’électronique SCE rétroagit sur les courants d’alimentation de manière à maximiser la puissance de la fraction de PBout détectée, et donc la puissance du faisceau de sortie Pout. Pour cela on positionne une lame de prélèvement BS sur le trajet de PBout, ce qui présente l’inconvénient de prélever une fraction de PBout qui n’est donc pas disponible pour l’application.
[0086] Selon un deuxième mode de réalisation illustré figure 14 b) le détecteur Det est configuré pour détecter au moins une fraction d’au moins un faisceau secondaire SB associé à un mode secondaire, et pour rétroagir sur les courants d’alimentation de manière à minimiser la puissance de l’au moins au faisceau secondaire détecté. Préférentiellement le détecteur est configuré pour détecter tous les faisceaux secondaires, soit à l’aide d’une optique de focalisation soit parce que le MPLC a été conçu de manière à localiser tous les modes secondaires à la même position (voir par exemple la figure 9). Cette configuration présente l’avantage de ne pas impacter la puissance du faisceau de sortie PBout.
[0087] Un dispositif 10 selon l’invention avec une barrette de QCLs comme milieu à gain et une rétroaction selon le deuxième mode de réalisation de la variante est illustré figure 15.
[0088] Un dispositif 10 selon l’invention avec des fibres optiques actives comme milieu à gain et une rétroaction selon le premier mode de réalisation de la variante est illustré figure 16.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (10) de mise en phase de faisceaux lasers comprenant :
- une pluralité de N cavités semi-ouvertes, chaque cavité semi-ouverte comprenant un milieu à gain (GM) et un miroir associé (MC) dénommé miroir de fond de cavité, et étant configurée pour générer un faisceau élémentaire (EB) collimaté,
- un dispositif de conversion multiplan (MPLC) configuré pour convertir un ensemble de N modes spatiaux d’entrée formant une base d’entrée en un ensemble de N modes spatiaux de sortie formant une base de sortie, la base de sortie comprenant un mode spatial de sortie souhaité, dénommé mode principal (PM), et N-1 autres modes de sortie dénommés modes secondaires (SM),
- un miroir de sortie (OM) partiellement réfléchissant configuré pour former, avec les N miroirs de fond de cavité, une cavité laser commune à ladite pluralité de milieux à gain dans laquelle est disposé le dispositif de conversion multiplan et permettant la combinaison cohérente desdits faisceaux élémentaires,
- les N faisceaux élémentaires collimatés en phase étant configurés pour former un mode spatial d’entrée du dispositif de conversion multiplan choisi de sorte que le dispositif de conversion multiplan génère le mode principal (PM), associé à un faisceau principal (PB),
- le miroir de sortie étant configuré pour réfléchir partiellement ledit faisceau principal.
2. Dispositif de mise en phase selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de conversion multiplan est en outre configuré pour que le mode principal soit spatialement séparé des N-1 modes secondaires (SM).
3. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel le miroir de sortie présente une surface concave et est disposé de sorte que le faisceau principal soit situé au centre dudit miroir de sortie.
4. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications 2 ou 3 dans lequel le miroir de sortie présente une dimension adaptée pour réfléchir uniquement le faisceau principal.
5. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel chaque cavité semi-ouverte est une cavité semi-ouverte d’un laser à cascade quantique.
6. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel chaque milieu à gain est une fibre optique active pompée optiquement et le miroir de fond de cavité associé est un miroir de Bragg fibré.
7. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel chaque milieu à gain est un cristal laser, le miroir de fond de cavité étant constitué d’une face traitée pour réfléchir une longueur d’onde laser servant de miroir de fond de cavité ou d’un miroir séparé.
8. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que le faisceau principal soit gaussien.
9. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que le mode spatial d’entrée choisi corresponde à une amplitude sensiblement égale des N faisceaux élémentaires.
0. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de conversion multiplan est configuré pour que tous les modes secondaires soient localisés à la même position.
11 . Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications précédentes dans lequel chaque milieu à gain est pompé via un courant d’alimentation (AC), comprenant en outre un détecteur (Det) configuré pour détecter une fraction du faisceau principal à la sortie de la cavité (PBout) et une électronique d’asservissement (SCE) configurée pour rétroagir sur les courants d’alimentation de manière à maximiser une puissance du faisceau détecté.
12. Dispositif de mise en phase selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel chaque milieu à gain est pompé via un courant d’alimentation, comprenant en outre un détecteur (Det) configuré pour détecter au moins une fraction d’au moins un faisceau secondaire associé à un mode secondaire et une électronique d’asservissement (SCE) configurée pour rétroagir sur les courants d’alimentation de manière à minimiser une puissance de l’au moins un faisceau secondaire détecté.
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