Exploitation des non-linéarités résonnantes dans les amplificateurs à fibre de puissance: application à la combinaison cohérente passive

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Exploitation des non-linéarités résonnantes dans les amplificateurs à fibre de puissance: application à la combinaison cohérente passive
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Non connu à ce jour
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM, Dpt Photonique
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
Ce travail de thèse sera réalisé au sein du projet «Systèmes lasers» du département Photonique d’XLIM.Le nouveau doctorant viendra renforcer les activités de recherche sur l’amplification parallèle et la combinaison de faisceaux, d’une équipe actuellement constituée de 3 chercheurs/enseignants-chercheurs et deux doctorants.

Résumé de la thèse en français
Ce sujet de thèse s’inscrit dans la thématique de la montée en puissance des sources lasers à fibres. Il s’agit d’explorer des architectures lasers innovantes qui permettent la mise en phase de plusieurs faisceaux amplifiés en parallèle. Ces approches communes à plusieurs types de lasers (massifs, fibres, diodes, …) sont recherchées pour dépasser les performances énergétiques des lasers à voie d’amplification unique. Récemment , nous avons proposé d’exploiter les non-linéarités de gain et une opération de contraste de phase intra-cavité pour lever un verrou commun à toutes les techniques de mise en phase passive sur le nombre limité de lasers combinés efficacement. Un nouveau champ d’investigation s’ouvre avec des problématiques fondamentales et appliquées. Ces lasers peuvent être traités comme des systèmes non linéaires couplés pour lesquels le couplage dépend des effets conjoints de conversion phase amplitude dans le système de filtrage et de conversion amplitude phase (relations de Kramers-Kronig) dans les amplificateurs. Le doctorant aura à effectuer un travail de modélisation du fonctionnement laser de ces systèmes complexes, étudiera et évaluera les niveaux de non linéarité de gain dans des chaines d’amplification à plusieurs étages pour enfin concevoir un système laser performant en termes de brillance.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis concerns the increase of fiber laser power while preserving high beam quality. It deals with the study of innovative laser architectures suited to parallel amplification and phase locking. These approaches common to several types of lasers (solid, fiber, diodes, …) are required to exceed energy performances of standard lasers with amplifiers connected in series. Recently, we investigated the use of intra-cavity resonant non-linearity and phase contrast filtering to unlock the limitation of the number of coupled lasers which is shared by all passive coherent combining techniques. A new field of investigation starts with fundamental and applied problems to be solved. These lasers can be treated as coupled nonlinear systems where the coupling depends on the combined effects of conversion from phase to amplitude inside the filtering device and of conversion from amplitude to phase in the amplifiers (Kramers-Kronig relations). The PhD student will have to perform a modeling of these complex systems under laser operation. He will study and assess the levels of gain nonlinearity in a multi-stage chain of amplification to finally design a laser system for high power and high beam quality.

Description complète du sujet de thèse
Le travail de thèse comportera des volets expérimentaux et numériques relatifs à l’amplification parallèle et la combinaison cohérente de lasers à fibre qui partagent une même cavité. D’une part, le doctorant sera amené à concevoir un modèle de laser polychromatique à plusieurs voies parallèles d’amplification. Il devra décrire la construction des spectres de fréquences temporelles et spatiales dans le laser intégrant le dispositif de filtrage à contraste de phase en présence de non linéarités résonantes et en considérant le type d’élargissement (homogène/inhomogène) de la raie laser. Cette étape numérique permettra de dimensionner la chaine d’amplification de chaque voie laser (nombre d’étages/gain) pour que les non linéarités de gain puissent corriger les écarts de phase linéaire entre voies lasers. Sur le volet expérimental, il s’agira dans un premier temps d’évaluer les non-linéarités de gain et de vérifier leur adéquation avec les paramètres déduits des simulations. Enfin, le doctorant aura à charge la mise en œuvre du laser. Ces travaux s’inscriront dans la poursuite d’études engagées avec les sociétés Astrium et Cilas et ayant donné lieu à ce jour à un dépôt de brevet conjoint.

Objectifs scientifiques de la thèse
Il s’agit d’explorer des architectures lasers innovantes qui permettent la mise en phase de plusieurs faisceaux amplifiés en parallèle. L’objectif principal est de lever un verrou commun à toutes les techniques de mise en phase passive sur le nombre limité de lasers combinés efficacement.

Compétences à l’issue de la thèse
Le docteur aura des compétences expérimentales et théoriques dans le domaine de la conception et de la réalisation de sources lasers, systèmes optiques, propagation guidée. Il aura également des compétences en programmation sous matlab de ces systèmes.

Mots clés (séparés par des virgules)
Laser, fibre optique, traitement du signal optique, combinaison cohérente

Expérience/profil souhaité(e)
Titulaire d’un Master à coloration photonique: lasers, fibres optiques

Directeur de thèse
DESFARGES-BERTHELEMOT Agnès
Adresse mail du directeur de thèse : agnes.desfarges-berthelemot@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 55 45 77 38

Co-directeur de thèse
KERMENE Vincent
Adresse mail du co-directeur de thèse : vincent.kermene@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 45 77 38
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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