Interférométrie PISTIL pour le diagnostic de la combinaison cohérente de sources laser fibrées

Coherent beam combining of amplified fiber laser sources (CBC) is one of the solutions of interest to increase the peak and average power of laser systems, as well as to make them versatile through beam shaping. To achieve such a combination, it is necessary to know and control at least the phase piston of each beam. To gain efficiency, it is also necessary to control other parameters such as the fiber alignments (tips/tilts) or the pulse delays with ultrashort beams. In this manuscript, I propose to use the PISTIL interferometry to conduct phase diagnosis of such CBC laser systems. The PISTIL interferometry was designed to measure the piston, tip and tilt variations of a segmented wave surface composed of NF near-field beams of a CBC laser. I develop principles of beam propagation in the instrument and a computation of the interferograms. I then present three experiments. The first one, in laboratory on a segmented mirror, allowed to validate both the main functions and the characteristics of the concept. The two others are conducted on two CBC lasers, validating the instrument in two real representative environments (outdoor and laboratory using a high-power laser). The PISTIL prototypes have thus carried out the first diagnoses of CBC laser systems in open and closed loops.La combinaison cohérente de sources laser fibrées et amplifiées (CBC) se présente comme une des solutions d'intérêt pour augmenter les puissances crêtes et moyennes des systèmes laser, ainsi que les rendre versatile grâce à de la mise en forme de faisceau. Pour réaliser une telle combinaison, il est nécessaire de connaître et de contrôler au moins le piston de phase de chaque faisceau. Pour gagner en efficacité, il faut aussi contrôler d'autres paramètres tels que les alignements des fibres (tips/tilts) ou les délais d'impulsion dans le cas des faisceaux ultracourts. Dans cette thèse, je propose d'utiliser l'interférométrie PISTIL pour mener un diagnostic de phase de ces systèmes laser CBC. L'interférométrie PISTIL a été conçue pour mesurer les variations de piston, tip et tilt d'une surface d'onde segmentée composée des NF faisceaux du champ proche d'un laser CBC. Je développe des principes de propagation des faisceaux dans l'instrument ainsi qu'un traitement des interférogrammes obtenus. Je présente ensuite trois expériences. La première, en laboratoire sur un miroir segmenté, a permis de valider à la fois les fonctions principales et les caractéristiques du concept. Les deux autres sont conduites sur deux lasers CBC, validant la maquette de l'instrument dans deux environnements représentatifs réels (en extérieur et en laboratoire utilisant un laser haute-puissance). Les prototypes PISTIL construits ont ainsi menés les premiers diagnostics de systèmes laser CBC en boucles ouverte et fermée

PISTIL interferometry for the diagnosis of coherent beam combining of fiber lasers

La combinaison cohérente de sources laser fibrées et amplifiées (CBC) se présente comme une des solutions d'intérêt pour augmenter les puissances crêtes et moyennes des systèmes laser, ainsi que les rendre versatile grâce à de la mise en forme de faisceau. Pour réaliser une telle combinaison, il est nécessaire de connaître et de contrôler au moins le piston de phase de chaque faisceau. Pour gagner en efficacité, il faut aussi contrôler d'autres paramètres tels que les alignements des fibres (tips/tilts) ou les délais d'impulsion dans le cas des faisceaux ultracourts. Dans cette thèse, je propose d'utiliser l'interférométrie PISTIL pour mener un diagnostic de phase de ces systèmes laser CBC. L'interférométrie PISTIL a été conçue pour mesurer les variations de piston, tip et tilt d'une surface d'onde segmentée composée des NF faisceaux du champ proche d'un laser CBC. Je développe des principes de propagation des faisceaux dans l'instrument ainsi qu'un traitement des interférogrammes obtenus. Je présente ensuite trois expériences. La première, en laboratoire sur un miroir segmenté, a permis de valider à la fois les fonctions principales et les caractéristiques du concept. Les deux autres sont conduites sur deux lasers CBC, validant la maquette de l'instrument dans deux environnements représentatifs réels (en extérieur et en laboratoire utilisant un laser haute-puissance). Les prototypes PISTIL construits ont ainsi menés les premiers diagnostics de systèmes laser CBC en boucles ouverte et fermée.Coherent beam combining of amplified fiber laser sources (CBC) is one of the solutions of interest to increase the peak and average power of laser systems, as well as to make them versatile through beam shaping. To achieve such a combination, it is necessary to know and control at least the phase piston of each beam. To gain efficiency, it is also necessary to control other parameters such as the fiber alignments (tips/tilts) or the pulse delays with ultrashort beams. In this manuscript, I propose to use the PISTIL interferometry to conduct phase diagnosis of such CBC laser systems. The PISTIL interferometry was designed to measure the piston, tip and tilt variations of a segmented wave surface composed of NF near-field beams of a CBC laser. I develop principles of beam propagation in the instrument and a computation of the interferograms. I then present three experiments. The first one, in laboratory on a segmented mirror, allowed to validate both the main functions and the characteristics of the concept. The two others are conducted on two CBC lasers, validating the instrument in two real representative environments (outdoor and laboratory using a high-power laser). The PISTIL prototypes have thus carried out the first diagnoses of CBC laser systems in open and closed loops

Interférométrie PISTIL: un moyen de métrologie pour le diagnostic des lasers à combinaison cohérente, modulaire et facile à intégrer

International audiencePISTIL (PISton and TILt) interferometry is a segmented wavefront metrology technique that can fulfill the role of being an independent phase analyzer for tiled laser arrays used in coherent beam combining (CBC). It presents a plug-and-play characteristics enabling others research or industrial applications such as metrology of segmented mirrors, MOEMS or measurement standards. It can operate onto complex optical benches. Alongside the PISTIL concept, we developed methods for phase extraction and meta-analysis, with best accuracy to rightfully address an end user needs in term of segmented wavefront diagnosis. We demonstrate those functionalities onto the HIBISCUS optical testbed equipped with a segmented mirror, specifically designed test data analysis pipelines and improve the control-command based on PISTIL wavefront analysis. In the current configuration, it can emulate CBC near field piston and tilt variations.L'interférométrie PISTIL (PISton et TILt) est une technique de métrologie de front d'onde segmenté qui peut remplir le rôle d'analyseur de phase indépendant pour les réseaux de lasers utilisés dans la combinaison cohérente de faisceaux (CBC). Elle présente des caractéristiques "plug-and-play" permettant à d'autres chercheurs ou à des applications industrielles telles que la métrologie des miroirs segmentés, des MOEMS ou des normes de mesure. La méthode peut fonctionner sur des bancs optiques complexes. Parallèlement au concept PISTIL, nous avons développé des méthodes d'extraction de phase et de méta-analyse, avec la meilleure précision possible pour répondre aux besoins de l'utilisateur final en termes de diagnostic de front d'onde segmenté. Nous démontrons quelques fonctionnalités sur le banc d'essai optique HIBISCUS, équipé d'un miroir segmenté, dont des pipelines d'analyse de données d'essai spécialement conçus et améliorons le contrôle-commande basé sur l'analyse du front d'onde par PISTIL. Dans la configuration actuelle, le banc de test peut émuler les variations de piston et d'inclinaison du champ proche d'un laser CBC

Segmented wavefront metrology using multicolor PISTIL interferometry

International audiencePISTIL (Piston and Tilt) is a recent interferometric system that computes the absolute piston and tip/tilt map of a segmented wavefront. Its high precision makes it usable as a metrology tool for wavefront sensing of coherently-combined laser arrays for example. This interferometer needs to correctly address high dynamic piston sensing, while dealing with fringes wrapping that leads to ambiguous phase estimations. We derived a mathematical combination for two measurements at different wavelengths and did a technical demonstration of it, using a IRIS-AO PTT111 Deformable Mirror as a segmented wavefront generator. We have verified that the loss of accuracy is slightly increased for a larger piston compared to a previous study, and we got a standard error of λ/160 with a Peak-to-valley of λ/50. This technique could be extended to a broader spectrum

HIBISCUS: Simulateur pour le développement de stratégies de contrôle-commande pour la combinaison cohérente de faisceaux lasers par la technique PISTIL

EOSAM 2023 - The European Optical Society Annual Meeting, 11-15 September 2023, Dijon FranceInternational audienceCBC (Coherent Beam Combining) is a key technology for the realisation of intense lasers. In this context, PISTIL (PISton and TILt interferometry), a precise metrology tool for measuring segmented wave surfaces, has been developed and used in particular to characterise and diagnose CBC ultrafast and digital laser in the framework of the XCAN (X Coherent Amplification Network) project at the École Polytechnique. We propose here to use it in a way to help the optimisation of control techniques by including PISTIL in an XCAN type CBC laser simulator. This will allow an easy tuning of the control laws, outside the clean rooms in which these large lasers are deployed and without the need to start them up.La CBC (Coherent Beam Combining) est une technologie clé pour la réalisation de lasers intenses. Dans ce contexte, PISTIL (interférométrie PISton et TILt), un outil de métrologie précis pour mesurer les surfaces d'ondes segmentées, a été développé et utilisé en particulier pour caractériser et diagnostiquer la CBC de lasers ultrarapides et digitaux dans le cadre du projet XCAN (X Coherent Amplification Network) à l'École Polytechnique. Nous proposons ici de l'utiliser de manière à aider à l'optimisation des techniques de contrôle en incluant PISTIL dans un simulateur de laser CBC de type XCAN. Ceci permettra une mise au point aisée des lois de contrôle-commande, en dehors des salles blanches dans lesquelles sont déployés ces gros lasers et sans qu'il soit nécessaire de les démarrer

HIBISCUS : simulateur pour la mise au point de stratégies de contrôle-commande des lasers CBC

International audienceLa CBC (Coherent Beam Combining) est une technologie clé pour la réalisation de lasers intenses. Nous présentons HIBISCUS, simulateur pour la conception d'asservissements de la phase des faisceaux de lasers CBC. Basé sur la technique PISTIL et un miroir déformable segmenté, il permet de tester et affiner différentes stratégies de contrôle-commande

HIBISCUS : simulateur pour la mise au point de stratégies de contrôle-commande des lasers CBC

International audienceLa CBC (Coherent Beam Combining) est une technologie clé pour la réalisation de lasers intenses. Nous présentons HIBISCUS, simulateur pour la conception d'asservissements de la phase des faisceaux de lasers CBC. Basé sur la technique PISTIL et un miroir déformable segmenté, il permet de tester et affiner différentes stratégies de contrôle-commande

Etude expérimentale de l'impact d'un signal télécom sur la combinaison cohérente de faisceaux laser par la technique LOCSET

International audienceWe report on what is, to our knowledge, one of the first realizations of a CBC (coherent beam combining)-based laser emitter carrying a 10.66 Gb/s telecom signal in free-space optics, within the laboratory environment. Two telecom modulations have been tested: NRZ (non-return-to-zero, in amplitude) and DPSK (differential phase-shift keying, in phase). The modulated signal is split and amplified in three fiber amplifiers, delivering up to 3 W each. CBC of data amplified signals is achieved with residual phase errors well below < λ/60 RMS, using a phase-tagging technique (LOCSET). A first analysis of the influence of various parameters (such as phase-tagging modulation depth, optical path difference, number of channels, amplifier power) on the locking and data transmission quality is investigated. The study shows that the phase-tagging modulation depth and optical path difference are the main critical issues when carrying data on a CBC signal.Nous présentons ce qui est, à notre connaissance, l'une des premières réalisations d'un émetteur laser basé sur la CBC (combinaison cohérente de faisceaux) transportant un signal télécom de 10,66 Gb/s en optique en espace libre, dans un environnement de laboratoire. Deux modulations de télécommunications ont été testées : NRZ (non-return-to-zero, en amplitude) et DPSK (differential phase-shift keying, en phase). Le signal modulé est divisé et amplifié dans trois amplificateurs à fibre, délivrant jusqu'à 3 W chacun. La CBC des signaux de données amplifiés est réalisée avec des erreurs de phase résiduelles bien inférieures à < λ/60 RMS, en utilisant une technique de marquage de phase (LOCSET). Une première analyse de l'influence de divers paramètres (tels que la profondeur de modulation du marquage de phase, la différence de chemin optique, le nombre de canaux, la puissance de l'amplificateur) sur le verrouillage et la qualité de la transmission des données est étudiée. L'étude montre que la profondeur de modulation du marquage de phase et la différence de chemin optique sont les principaux problèmes critiques lors de la transmission de données sur un signal CBC

Extraire plus de deux dérivées orthogonales dans un analyseur de front d'onde Shack-Hartmann

International audienceThe purpose of this paper is to show that the Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWFS) gives access to more derivatives than the two orthogonal derivatives classically extracted either by estimating the centroid or by taking into account the first two harmonics of the Fourier transform. The demonstration is based on a simple model of the SHWFS, taking into account the microlens array as a whole and linking the SHWFS to the multilateral shearing interferometry family. This allows for estimating the quality of these additional derivatives, paving the way to new reconstruction techniques involving more than two cross derivatives that should improve the signal-to-noise ratio.Le but de cet article est de montrer que l'analyseur de front d'onde Shack-Hartmann (SHWFS) permet d’accéder à plus de dérivées que les deux dites classiques (selon x et y), qui sont extraites soit par recherche des barycentres (centroiding), soit en utilisant les deux premières harmoniques de la transformée de Fourier de l'image de l'analyseur. La démonstration se base sur un modèle simple du SHWFS qui prend en compte un réseau de microlentilles en tant qu'un objet et lie par similarité le SHWFS au concept d'interférométrie à décalage multi-latéral. Cette liaison permet d'extraire des dérivées additionnelles, ce qui constitue une première étape vers l'élaboration de nouvelles techniques de reconstruction du front d'onde utilisant plus d'information que celle fournie par les deux dérivées classiques

Combinaison de faisceaux cohérents et modulation télécom : impact réciproque

International audienceThere is a growing interest in ground-to-satellite optical communication to go beyond their radio-frequency (RF) counterparts and especially tackle the issue of RF bands saturation [1]. Nevertheless, laser systems used as transmitter feeder links require relatively high power (typically 500 W [2]) but also beam quality wavefront control maximize transmission through atmospheric turbulences. These specifications are yet difficult achieve at same time with this type high-power laser. Coherent Beam Combining (CBC) enables scaling several amplifiers master-oscillator-power-amplifier (MOPA) configuration preserving safe operating regime [3]. CBC could thus be solution for development next generation emitters telecom applications.Les communications optiques sol-satellite suscitent un intérêt croissant pour aller au-delà de leurs équivalents radiofréquences (RF) et pour résoudre le problème de la saturation des bandes RF [1]. Cependant, les systèmes laser utilisés comme émetteurs dans les liaisons optiques de connexion nécessitent une puissance relativement élevée (typiquement 500 W [2]), ainsi qu’une qualité de faisceau élevée et un contrôle du front d'onde pour maximiser la transmission à travers les turbulences atmosphériques. Ces spécifications sont difficiles à atteindre simultanément pour des lasers à haute puissance. La combinaison cohérente de faisceaux (CBC) en configuration MOPA permet de dépasser la puissance d’un amplificateur unique tout en préservant un régime de fonctionnement sûr [3]. La CBC pourrait donc être une solution pour le développement de la prochaine génération d'émetteurs à haute puissance pour les applications de télécommunications