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WO2016062942A1 - Procede et système pour la generation d'une puissance laser elevee - Google Patents

Procede et système pour la generation d'une puissance laser elevee Download PDF

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WO2016062942A1
WO2016062942A1 PCT/FR2015/052761 FR2015052761W WO2016062942A1 WO 2016062942 A1 WO2016062942 A1 WO 2016062942A1 FR 2015052761 W FR2015052761 W FR 2015052761W WO 2016062942 A1 WO2016062942 A1 WO 2016062942A1
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WO
WIPO (PCT)
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elementary
laser beam
phase
laser beams
phases
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2015/052761
Other languages
English (en)
Inventor
Vincent Kermene
Agnes Desfarges-Berthelemot
Paul Armand
Joel BENOIST
David KABEYA
Alain Barthelemy
David Sabourdy
Jean-Eucher Montagne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Universite de Limoges
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Universite de Limoges
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA, Universite de Limoges filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Priority to US15/520,171 priority patent/US10116114B2/en
Priority to CN201580056586.6A priority patent/CN107112713B/zh
Priority to GB1706462.7A priority patent/GB2547362B/en
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the present invention relates to a method and a laser system for generating high laser power.
  • the elementary laser beams have the same emission frequencies and the same phase.
  • phase differences appear between said elementary laser beams.
  • the relative phase of each of said elementary laser beams is transformed into a light intensity level by spatial phase contrast filtering
  • phase correction values are respectively applied to said elementary laser beams.
  • the object of the present invention is to allow the implementation of a method of electro-optical adjustment of the elementary laser beam phases, following an iterative process of conversion "phase differences - amplitude differences” then “deviations of amplitude - phase shifts to be applied to the elementary laser beams ", in any type of laser architecture comprising a plurality of elementary laser beams of the same frequencies, and in particular in the known systems of master laser beam MOPA architecture divided into a plurality of elementary laser beams (see for example US 6,366,356).
  • the method for generating a high laser power by means of a plurality of elementary laser beams having the same frequencies but having different phases the method according to which:
  • the relative phase of each of said elementary laser beams is transformed into a light intensity level by phase contrast filtering applying a matrix relation M;
  • the level of luminous intensity thus obtained for each of said elementary laser beams is transformed into a phase correction value
  • phase correction values are respectively applied to the elementary laser beams.
  • an electro-optic feedback loop is formed to fix target relative phases to a set of laser fields.
  • Such an electro-optical feedback loop enables rapid phase convergence without disturbing the laser emission.
  • Phase corrections change the intensities of the filtered beams.
  • steps c), d), e) and f) are repeated until a desired level of phase shift of said elementary laser beams is achieved, or are performed continuously to continuously compensate for phase defects produced by disturbances.
  • phase correction values may be weighted by a higher multiplier or equal to 1, in order to optimize the speed of cophasing.
  • the intensities of the complex fields formed by said laser beam portions prior to filtering can be determined by prior operation, or continuously.
  • the present invention further relates to a system for generating high laser power by means of a plurality of elementary laser beams having the same frequencies, but having different phases, this system comprising:
  • a phase contrast filtering device transforming in a matrix relation M the relative phases of said elementary beams into light intensity levels
  • Phase modulators for applying said phase correction values to said elementary laser beams
  • ⁇ Comprising beam splitting means for taking laser beam portions from said elementary laser beams
  • phase contrast filtering device is disposed in the path of said laser beam portions
  • said system according to the present invention comprises amplification means for said elementary laser beams, these amplification means being arranged between said phase modulators and said beam splitting means taking said portions of the elementary laser beams.
  • the system according to the present invention may further comprise a laser oscillator generating a master laser beam and a divider generating said elementary laser beams from said master laser beam.
  • Figure 1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a laser system according to the present invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates an exemplary embodiment of a phase contrast optical system for transforming phases into light intensity levels.
  • FIGS. 3 and 4 show, respectively in plan view and in section, an exemplary optical filter element embodiment for the optical system of FIG. 2.
  • FIGS 5 and 6 schematically illustrate the action of the filter element of Figures 3 and 4.
  • the laser system comprises a laser oscillator 1 emitting a master laser beam F m .
  • a laser oscillator 1 emitting a master laser beam F m .
  • This is, by a divider 2, divided into a plurality of n elementary laser beams f, (with i - 1, 2, n), presenting the same transmission frequencies as the master laser beam F m .
  • the elementary laser beams f have different phases.
  • the elementary laser beams f After amplification by respective amplifiers 3.i, the elementary laser beams f, pass through dividers without phase shift 4.i which, on the one hand, let the greater part of said elementary beams f, to the respective outputs 5.i of said laser system and, on the other hand, respectively take portions of laser beams p, on said elementary laser beams f 1.
  • the laser system of FIG. 1 comprises an electro-optical counter-reaction phase-shifting loop comprising:
  • phase contrast optical filtering system 6 receiving the plurality of laser beam portions p, respectively taken by the dividers 4.i on the elementary laser beams f, and having respectively identical phase differences to those of the elementary laser beams; fj, said filtering system 6 transforming the respective relative phases ⁇ , of the laser beam portions p, into light intensity levels ⁇ ,;
  • photodiodes 7, i respectively sensing the intensities a, of said laser beam portions p, before filtering by the filtering system 6;
  • photodiodes 8.i respectively sensing the intensities b, of said laser beam portions pj after filtering by the filtering system 6;
  • a computer 9 receiving the intensities a, and bj respectively photodiodes 7.i and 8.i and calculating phase correction values for the elementary laser beams f;
  • the phase-contrast optical filtering system 6 which carries out the respective transformations of the phases ⁇ of the elementary laser beams f, (via the parts p, taken by the separators 4.i) in light intensity levels comprises a pair of lenses (or concave mirrors) 1 1a and 1 1b arranged so that the image focal plane of the lens 1 1b coincides with the object focal plane of the lens 1 1a, for forming an afocal optical system, as well as an optical filter 12 disposed at the focal plane respectively image of the lens 1 1b and object of the lens 1 1 a, so that it is centered on the axis of the optical system afocal thus formed.
  • the optical phase contrast filtering system 6 makes it possible to display the spatial frequency spectrum of the laser beam portions on optical filter 12, whose structure is shown more precisely in FIGS. 3 and 4.
  • This spatial optical filter 12 is derived from phase contrast imaging techniques, more particularly known in the field of microscopy.
  • This filter 12 has, for example, two respectively central and peripheral regions 12a and 12b, whose optical properties differ in terms of phase shift and attenuation, with a view to applying to each of the n laser beams p, which passes therethrough a differential attenuation depending on of the phase shift between the average phase of the set of beams Pi and the laser beam pi considered, in the image focal plane of the lens 1 1 b.
  • the optical filter 12 may comprise:
  • phase-shift layer 13 the extent of which covers the central 12a and peripheral 12b zones, and which has an additional recess at the level of said central zone 12a, and
  • an upper amplitude attenuation layer 14 the extent of which coincides with the peripheral zone 12b.
  • the lower layer 13, which achieves the desired phase shift, may be formed of a glass plate of high optical quality, etched on its central portion.
  • the upper layer 14, which participates in partial attenuation the amplitude of each elementary laser beam (only the peripheral portion of said beam), can be formed, in turn, a suitable deposition of dielectric layers.
  • the filter 12 may be formed of a single layer, whose shape and extent are similar to those of the lower layer 13 and whose optical properties are suitable for both attenuate and phase out each elementary beam. It can for example be practiced for this purpose a suitable dielectric treatment.
  • the optical filter 12 thus allows:
  • FIG. 5 which represents an example of a profile of the level of transparency of the filter 12 along its longitudinal extent), of attenuating the amplitude of the peripheral part (transmittance T1) with respect to that of its part central (transmittance 12 greater than T1) of each elementary laser beam, and
  • FIG. 6 which represents an example of a profile of the phase shift level of the filter 12 along its longitudinal extent
  • ⁇ 1 phase shift level of the filter 12 along its longitudinal extent
  • the different laser beam portions p 1, downstream of the filter 6 constitute a set B of n complex optical fields B, having light intensity levels b respectively representative of said relative phases ⁇ , and
  • the photodiodes 7.i by previous measurements or by continuous measurements, address the square of the modules of the complex fields A, to the computer 9, which therefore knows the intensities a, of the laser beam portions p, before filtering.
  • the photodiodes 8.i address the square of the modules of the complex fields B, to the computer 9, which thus knows the intensities b, parts of the laser beam p, after filtering.
  • the computer 9 reverses the sign of the phases ⁇ ', and applies respectively phase correction values - ⁇ ' to the phase modulators 10. i.
  • these steps can be performed continuously to continuously compensate for phase defects produced by disturbances.
  • This compound laser source 5 can be used as it is, for example to illuminate a target far enough so that all the beams fj can be considered as forming a single laser beam.

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Abstract

Procédé et système pour la génération d'une puissance laser élevée. Selon l'invention, on engendre une pluralité de faisceaux laser élémentaires (fj), dont les phases sont ajustées par une boucle électro-optique de contre-réaction (6, 7i, 8i, 9) mettant en œuvre la relation matricielle d'un dispositif de filtrage par contraste de phase (8).

Description

Procédé et système pour Sa génèratiort d'une puissance laser élevée.
La présente invention concerne un procédé et un système laser pour la génération d'une puissance laser élevée.
On sait que, pour engendrer une puissance laser élevée, on peut engendrer, dans un premier temps, une pluralité de faisceaux laser élémentaires, puis utiliser en bloc à distance, ou rassembler les faisceaux laser élémentaires ainsi engendrés pour obtenir une puissance laser qui est d'autant plus grande que le nombre de faisceaux élémentaires est plus élevé.
Toutefois, afin que la puissance laser résultante puisse être optimale, il importe que les faisceaux laser élémentaires présentent les mêmes fréquences d'émission et la même phase. Or, notamment du fait que lesdits faisceaux laser élémentaires ne peuvent suivre des trajets rigoureusement identiques, des différences de phases apparaissent entre lesdits faisceaux laser élémentaires.
Pour résoudre ce problème de différences de phases, le document antérieur EP 2 649 688 décrit un procédé pour engendrer un faisceau laser de puissance élevée par combinaison d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences d'émission mais des phases différentes, ce procédé étant remarquable en ce que :
- la phase relative de chacun desdits faisceaux laser élémentaires est transformée en un niveau d'intensité lumineuse par un filtrage spatial par contraste de phase ;
- lesdits niveaux d'intensité lumineuse correspondant respectivement auxdits faisceaux laser élémentaires sont transformés en valeurs de correction de phase ; et
- lesdites valeurs de correction de phase sont respectivement appliquées auxdits faisceaux laser élémentaires.
Dans ce document EP 2 649 688, l'ajustement de la phase de chaque faisceau laser élémentaire est réalisé de façon itérative à l'intérieur même de l'oscillateur laser, à chaque passage successif dudit faisceau laser élémentaire dans ledit oscillateur. Par conséquent, en même temps que chaque faisceau laser élémentaire converge vers un état stationnaire dans lequel il présente sa puissance nominale, tous les faisceaux laser élémentaires convergent ensemble vers un état stationnaire global dans lequel ils présentent non seulement leurs puissances nominales, mais également des phases parfaitement ajustées les unes par rapport aux autres, si bien que leur combinaison ultérieure est rendue particulièrement efficace.
L'objet de la présente invention est de permettre la mise en oeuvre d'un procédé d'ajustement électro-optique des phases de faisceaux laser élémentaires, suivant un processus itératif de conversion « écarts de phase - écarts d'amplitude » puis « écarts d'amplitude - déphasages à appliquer aux faisceaux laser élémentaires », dans n'importe quel type d'architecture laser comportant une pluralité de faisceaux laser élémentaires de mêmes fréquences, et notamment dans les systèmes connus d'architecture MOPA à faisceau laser maître divisé en une pluralité de faisceaux laser élémentaires (voir par exemple US 6 366 356).
À cette fin, selon l'invention, le procédé pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, procédé selon lequel :
• la phase relative de chacun desdits faisceaux laser élémentaires est transformée en niveau d'intensité lumineuse par un filtrage par contraste de phase appliquant une relation matricielle M ;
• le niveau d'intensité lumineuse ainsi obtenu pour chacun desdits faisceaux laser élémentaires est transformé en valeur de correction de phase ; et
• lesdites valeurs de correction de phase sont respectivement appliquées aux faisceaux laser élémentaires,
est remarquable en ce que :
a) des parties de faisceau laser sont prélevées respectivement sur lesdits faisceaux laser élémentaires, lesdites parties de faisceaux laser constituant des champs optiques complexes qui présentent respectivement la même phase relative que les faisceaux laser élémentaires dont ils proviennent et dont l'ensemble A qu'ils forment est soumis au filtrage par contraste de phase selon la relation matricielle B = M. A pour former un ensemble B de champs optiques complexes filtrés correspondant aux parties filtrées des parties de faisceaux laser ;
b) on détermine les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser avant filtrage ;
c) on détermine les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser après filtrage ;
d) on considère le cas idéal où toutes les phases relatives des faisceaux laser élémentaires sont identiques et où l'ensemble complexe A devient un ensemble réel pur Ajdéai uniquement constitué à partir des intensités déterminées à l'étape b) et on calcule l'ensemble filtré
Figure imgf000005_0001
correspondant par la relation matricielle Bldéai - M.Aidèai> afin de déterminer les phases correspondantes des champs complexes filtrés dans ce cas idéal ;
e) on attribue, aux champs complexes filtrés, les phases calculées à l'étape d) pour former un ensemble filtré théorique Bt et on calcule un ensemble théorique At avant filtrage correspondant par la relation matricielle inverse At = "1.Bt, afin de déterminer les phases des champs optiques complexes constituant cet ensemble théorique At avant filtrage ; et f) on inverse le signe desdites phases de l'ensemble théorique At et on utilise ces phases de signe inversé comme valeurs de correction de phase.
Ainsi, grâce à la présente invention, on forme une boucle de contre- réaction électro-optique pour fixer des phases relatives cibles à un ensemble de champs laser. Une telle boucle de contre-réaction électro-optique permet une convergence de phase rapide sans perturbation de l'émission laser.
Les corrections de phase modifient les intensités des faisceaux filtrés. Par suite, les étapes c), d), e) et f) sont réitérées jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage desdits faisceaux laser élémentaires, ou bien sont effectuées de façon continue pour compenser en continu les défauts de phase produits par des perturbations.
Avantageusement, les valeurs de correction de phase peuvent être pondérées par un coefficient multiplicateur supérieur ou égal à 1 , afin d'optimiser la vitesse de cophasage.
Les intensités des champs complexes formés par lesdites parties de faisceau laser avant filtrage peuvent être déterminées par une opération préalable, ou bien en continu.
Notamment lorsque lesdits faisceaux laser élémentaires résultent de la division d'un faisceau laser maître (architecture MOPA), il est avantageux que ces faisceaux laser élémentaires soient amplifiés avant prélèvement desdites parties de faisceau laser.
La présente invention concerne, de plus, un système pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, ce système comportant :
• un dispositif de filtrage par contraste de phase transformant selon une relation matricielle M les phases relatives desdits faisceaux élémentaires en niveaux d'intensité lumineuse ;
· des moyens pour transformer lesdits niveaux d'intensité lumineuse en valeurs de correction de phase ; et
• des modulateurs de phase pour appliquer lesdites valeurs de correction de phase auxdits faisceaux laser élémentaires,
et étant remarquable :
· en ce qu'il comporte des moyens de division de faisceaux pour prélever des parties de faisceau laser sur lesdits faisceaux laser élémentaires ;
• en ce que le dispositif de filtrage par contraste de phase est disposé sur le trajet desdites parties de faisceau laser ;
• en ce qu'il comporte des moyens de détection pour détecter l'intensité desdites parties de faisceau laser respectivement en amont et en aval dudit dispositif de filtrage par contraste de phase ; et • en ce qu'il comporte des moyens de calcul reliés auxdits moyens de détection, calculant les phases des champs optiques complexes constituant un ensemble théorique At avant filtrage et en en inversant le signe, et appliquant les phases de signe inversé comme valeurs de correction de phase auxdits modulateurs de phase.
De préférence, ledit système conforme à la présente invention comporte des moyens d'amplification pour lesdits faisceaux laser élémentaires, ces moyens d'amplification étant disposés entre lesdits modulateurs de phase et lesdits moyens de division de faisceau prélevant lesdites parties des faisceaux laser élémentaires.
Le système conforme à la présente invention peut, de plus, comporter un oscillateur laser engendrant un faisceau laser maître et un diviseur engendrant lesdits faisceaux laser élémentaires à partir dudit faisceau laser maître.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est le schéma synoptique d'un exemple de réalisation d'un système laser conforme à la présente invention.
La figure 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un système optique par contraste de phase pour la transformation de phases en niveaux d'intensité lumineuse.
Les figures 3 et 4 montrent, respectivement en vue de dessus et en coupe, un exemple de réalisation d'élément de filtrage optique pour le système optique de la figure 2.
Les figures 5 et 6 illustrent schématiquement l'action de l'élément de filtrage des figures 3 et 4.
Le système laser, conforme à la présente invention et montré schématiquement sur la figure 1 , comporte un oscillateur laser 1 émettant un faisceau laser maître Fm. Celui-ci est, par un diviseur 2, divisé en une pluralité de n faisceaux laser élémentaires f, (avec i - 1 , 2, n), présentant les mêmes fréquences d'émission que le faisceau laser maître Fm. Cependant, par suite notamment de différences dans leurs parcours, les faisceaux laser élémentaires f, présentent des phases différentes.
Après amplification par des amplificateurs respectifs 3.i, les faisceaux laser élémentaires f, traversent des diviseurs sans déphasage 4.i qui, d'une part, laissent passer la plus grande partie desdits faisceaux élémentaires f, jusqu'aux sorties respectives 5.i dudit système laser et, d'autre part, prélèvent respectivement des parties de faisceaux laser p, sur lesdits faisceaux laser élémentaires f,.
Conformément à la présente invention, le système laser de la figure 1 comporte une boucle électro-optique de cophasage par contre-réaction comportant :
- un système 6 de filtrage optique par contraste de phase recevant la pluralité des parties de faisceaux laser p, respectivement prélevées par les diviseurs 4.i sur les faisceaux laser élémentaires f, et présentant des différences de phase respectivement identiques à celles des faisceaux laser élémentaires fj, ledit système de filtrage 6 transformant les phases relatives respectives φ, des parties de faisceau laser p, en niveaux d'intensité lumineuse Δί, ;
- des photodiodes 7,i captant respectivement les intensités a, desdites parties de faisceau laser p, avant filtrage par le système de filtrage 6 ;
- des photodiodes 8.i captant respectivement les intensités b, desdites parties de faisceau laser pj après filtrage par le système de filtrage 6 ;
- un calculateur 9 recevant les intensités a, et bj respectivement des photodiodes 7.i et 8.i et calculant des valeurs de correction de phase pour les faisceaux laser élémentaires f ; et
- des modulateurs de phase 10.Ί, respectivement interposés dans le trajet des faisceaux laser élémentaires f,, en amont des amplificateurs 3.i, pour appliquer auxdits faisceaux laser élémentaires des valeurs de correction de phase qu'ils reçoivent du calculateur 9. Comme représenté sur la figure 2, le système de filtrage optique par contraste de phase 6, qui réalise les transformations respectives des phases Φί des faisceaux laser élémentaires f, (par l'intermédiaire des parties p, prélevées par les séparateurs 4.i) en niveaux d'intensité lumineuse comporte une paire de lentilles (ou de miroirs concaves) 1 1 a et 1 1 b disposées de manière que le plan focal image de la lentille 1 1 b coïncide avec le plan focal objet de la lentille 1 1a, pour former un système optique afocal, ainsi qu'un filtre optique 12 disposé au niveau des plans focaux respectivement image de la lentille 1 1 b et objet de la lentille 1 1 a, de manière qu'il soit centré sur l'axe du système optique afocal ainsi formé.
Le système 6 de filtrage optique par contraste de phase permet d'afficher le spectre de fréquences spatiales des parties de faisceaux laser
Figure imgf000009_0001
sur le filtre optique 12, dont la structure est représentée plus précisément par les figures 3 et 4. Ce filtre optique spatial 12 est dérivé des techniques d'imagerie à contraste de phase, plus particulièrement connues dans le domaine de la microscopie. Ce filtre 12 présente par exemple deux zones respectivement centrale 12a et périphérique 12b, dont les propriétés optiques diffèrent en termes de déphasage et d'atténuation, en vue d'appliquer à chacun des n faisceaux laser p, qui le traverse une atténuation différentielle en fonction du déphasage entre la phase moyenne de l'ensemble des faisceaux Pi et le faisceau laser pi considéré, dans le plan focal image de la lentille 1 1 b.
Comme représenté par les figures 3 et 4, le filtre optique 12 peut comporter :
- une couche inférieure 13 de déphasage, dont l'étendue recouvre les zones centrale 12a et périphérique 12b, et qui présente un évidement supplémentaire au niveau de ladite zone centrale 12a, et
- une couche supérieure 14 d'atténuation d'amplitude, dont l'étendue coïncide avec la zone périphérique 12b.
La couche inférieure 13, qui réalise le décalage de phase souhaité, peut être formée d'une lame de verre de qualité optique élevée, gravée sur sa partie centrale. La couche supérieure 14, qui participe à l'atténuation partielle de l'amplitude de chaque faisceau laser élémentaire (uniquement la partie périphérique dudit faisceau), peut être formée, quant à elle, d'un dépôt approprié de couches diélectriques.
En variante, le filtre 12 peut être formé d'une unique couche, dont la forme et l'étendue sont analogues à celles de la couche inférieure 13 et dont les propriétés optiques conviennent pour, à la fois, atténuer et déphaser chaque faisceau élémentaire. Il peut être par exemple pratiqué à cet effet un traitement diélectrique adéquat.
Le filtre optique 12 permet ainsi :
- comme cela est illustré par la figure 5 (qui représente un exemple de profil du niveau de transparence du filtre 12 suivant son étendue longitudinale), d'atténuer l'amplitude de la partie périphérique (transmittance T1 ) par rapport à celle de sa partie centrale (transmittance 12 supérieure à T1 ) de chaque faisceau laser élémentaire, et
- comme cela est illustré par la figure 6 (qui représente un exemple de profil du niveau de déphasage du filtre 12 suivant son étendue longitudinale), d'introduire un décalage de phase entre la partie périphérique (déphasage ΔΦ1 ) et la partie centrale (déphasage ΔΦ2 supérieur à ΔΦ1 ) de chaque faisceau laser élémentaire.
De ce qui précède, on conçoit aisément que :
- les différentes parties de faisceau laser p,, en amont du filtre 6 (c'est-à-dire avant filtrage), constituent un ensemble A de n champs optiques complexes A, ayant des phases relatives φ, identiques respectivement à celles des faisceaux laser élémentaires f, et une intensité a, ;
- les différentes parties de faisceau laser p,, en aval du filtre 6 (c'est-à-dire après filtrage), constituent un ensemble B de n champs optiques complexes B, ayant des niveaux d'intensité lumineuse b, respectivement représentatifs desdites phases relatives φ, , et
- le système de filtrage 6 par contraste de phase établit une relation matricielle entre l'ensemble A des champs optiques complexes A, et l'ensemble B des champs optiques complexes B,, cette relation matricielle étant définie par une matrice complexe M, connue par construction dudit système de filtrage 6 et intégrée dans le calculateur 9, de sorte que les champs complexes filtrés B, se déduisent des champs complexes A, par le produit matriciel B = M. A.
Les photodiodes 7.i, par des mesures préalables ou par des mesures en continu, adressent le carré des modules des champs complexes A, au calculateur 9, qui connaît donc les intensités a, des parties de faisceau laser p, avant filtrage.
Connaissant ces intensités a, et prenant en compte le fait que le but recherché par le cophasage est que toutes les phases φ, soient égales, on considère l'ensemble réel pur idéal Ajdéai qui est alors connu. Pour cet ensemble idéal
Figure imgf000011_0001
le calculateur 9 peut alors calculer le champ filtré idéal Bidéai par le produit matriciel Bidéai = .Ajdéai et en déduire les modules et les phases Θ, des champs complexes filtrés correspondants.
Par ailleurs, les photodiodes 8.i adressent le carré des modules des champs complexes B, au calculateur 9, qui connaît donc les intensités b, des parties du faisceau laser p, après filtrage.
Conformément à la présente invention, à ces champs complexes B, d'intensités connues b,, le calculateur 9 attribue les phases Θ, de l'ensemble idéal Bidéai pour former un ensemble complexe filtré théorique Bt et calcule l'ensemble théorique complexe At avant filtrage correspondant par le produit matriciel inverse At = M"1.Bt. Ce calcul permet donc de déterminer les phases <p'i des champs optiques complexes constituant l'ensemble théorique At.
Le calculateur 9 inverse le signe des phases φ', et applique respectivement des valeurs de correction de phase - φ', aux modulateurs de phase 10. i.
Cette dernière étape modifiant les mesures des intensités b, effectuées après filtrage, on répète les étapes de mesure des modules b,, de calcul At = M"1.Bt et d'application des valeurs de correction de phase - φ', jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage. En variante, ces étapes peuvent être effectuées en continu pour compenser en continu des défauts de phase produits par des perturbations.
L'ensemble des sorties 5.i du système laser de la figure 1 , auxquelles apparaissent respectivement les faisceaux laser élémentaires f; après cophasage, forme une source laser composée 5 de puissance et de brillance élevées. Cette source laser composée 5 peut être utilisée telle quelle, par exemple pour illuminer une cible suffisamment lointaine pour que l'ensemble des faisceaux fj puisse être considéré comme formant un faisceau laser unique.
En variante, il est possible, de façon connue, de prévoir un dispositif de combinaison (non représenté), auquel sont adressés les faisceaux laser élémentaires f; apparaissant aux sorties 5.i et qui est apte à combiner lesdits faisceaux laser élémentaires f; pour former un unique faisceau iaser dont la puissance et la brillance sont élevées.
En variante également, il est possible d'affecter un coefficient pondérateur Y (nombre réel positif supérieur ou égal à 1) aux valeurs de correction de phase -φ',, en appliquant aux modulateurs de phase 10.i une correction y. (-<p'j), afin d'optimiser la vitesse de cophasage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux laser élémentaires (f,) ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, procédé selon lequel :
- la phase relative (φ,) de chacun desdits faisceaux laser élémentaires (f) est transformée en niveau d'intensité lumineuse (ΔΙι) par un filtrage par contraste de phase appliquant une relation matricielle de fonction M ;
- le niveau d'intensité lumineuse (ΔΙ,) ainsi obtenu pour chacun desdits faisceaux laser élémentaires (f,) est transformé en valeur de correction de phase (-φ',) ; et
- lesdites valeurs de correction de phase (-φ',) sont respectivement appliquées aux faisceaux laser élémentaires (f,) ;
caractérisé en ce que :
a) des parties de faisceaux laser (p,) sont prélevées respectivement sur lesdits faisceaux laser élémentaires (fj), lesdites parties de faisceaux laser (p,) constituant des champs optiques complexes (A,) qui présentent respectivement la même phase relative (φ,) que les faisceaux laser élémentaires (fj) dont ils proviennent et dont l'ensemble A qu'ils forment est soumis au filtrage par contraste de phase selon la relation matricielle B = M.A pour former un ensemble B de champs optiques complexes filtrés (Bj) correspondant aux parties filtrées des parties de faisceaux laser (p,) ; b) on détermine les intensités (a des champs complexes (A,) formés par lesdites parties de faisceau laser (p.) avant filtrage ;
c) on détermine les intensités (b,) des champs complexes (Bj) formés par lesdites parties de faisceau laser (p après filtrage ;
d) on considère le cas idéal où toutes les phases relatives (φ,) des faisceaux laser élémentaires (f,) sont identiques et où l'ensemble complexe A devient un ensemble réel pur Ajdéai uniquement constitué à partir des intensités (a,) déterminées à l'étape b) et on calcule l'ensemble filtré BjcJéai correspondant par la relation matricielle Bidéai = M.Awéai, afin de déterminer les phases (θ,) correspondantes des champs complexes filtrés dans ce cas idéal ;
e) on attribue, aux champs complexes filtrés (B,), les phases (θ,) calculées à l'étape d) pour former un ensemble filtré théorique Bt et on calcule un ensemble théorique At avant filtrage correspondant par la relation matricielle inverse At = M"1.Bt, afin de déterminer les phases (φ',) des champs optiques complexes constituant cet ensemble théorique At avant filtrage ; et
f) on inverse le signe desdites phases (φ',) de l'ensemble théorique At et on utilise ces phases (-φ',) de signe inversé comme valeurs de correction de phase.
2. Procédé selon la revendication 1 ,
caractérisé en ce que les étapes c), d), e) et f) sont réitérées jusqu'à l'obtention d'un niveau désiré de cophasage desdits faisceaux laser élémentaires (f,).
3. Procédé selon la revendication 1 ,
caractérisé en ce que les étapes c), d), e) et f) sont effectuées de façon continue pour compenser en continu les défauts de phase produits par des perturbations.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les intensités (a,) des champs complexes (A,) formés par lesdites parties de faisceau laser (p,) avant filtrage sont déterminées en continu.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les intensités (a,) des champs complexes (Ai) formés par lesdites parties de faisceau laser (p,) avant filtrage sont déterminées lors d'une opération préalable.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que lesdits faisceaux laser élémentaires (f,) sont amplifiés avant prélèvement desdites parties de faisceaux laser (p,).
7. Procédé selon la revendication 6,
caractérisé en ce que lesdits faisceaux laser élémentaires (f,) résultent de la division d'un faisceau laser maître (Fm).
8. Procédé selon l'un des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que les valeurs de correction de phase sont pondérées par un coefficient multiplicateur supérieur ou égal à 1.
9. Système pour engendrer une puissance laser élevée au moyen d'une pluralité de faisceaux élémentaires f, ayant les mêmes fréquences, mais présentant des phases différentes, ce système comportant :
• un dispositif de filtrage par contraste de phase (6) transformant selon une relation matricielle M les phases relatives (cpi) desdits faisceau élémentaires en niveaux d'intensité lumineuse (ΔΙ,),
• des moyens (9) pour transformer lesdits niveaux d'intensité lumineuse (ΔΙ,) en valeurs de correction de phase (-φ',), et
• des modulateurs de phase (10. i) pour appliquer lesdites valeurs de correction de phase (-φ',) auxdits faisceaux laser élémentaires (f,),
caractérisé :
• en ce qu'il comporte des moyens de division de faisceaux (4.i) pour prélever des parties de faisceau laser (p,) sur lesdits faisceaux laser élémentaires (f,) ;
• en ce que le dispositif de filtrage par contraste de phase (6) est disposé sur le trajet desdites parties de faisceau laser (pj) ;
• en ce qu'il comporte des moyens de détection (7.i et S.i) pour détecter l'intensité desdites parties de faisceau laser (p respectivement en amont et en aval dudit dispositif de filtrage par contraste (6) de phase ; et
• en ce qu'il comporte des moyens de calcul (9) reliés auxdits moyens de détection (7.i et S.i), calculant les phases (φ',) des champs optiques complexes constituant un ensemble théorique At avant filtrage et en en inversant le signe, et appliquant les phases (-φ',) de signe inversé comme valeurs de correction de phase auxdits modulateurs de phase (10. i).
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amplification (3.i) des faisceaux laser élémentaires (fi) et en ce que lesdits moyens d'amplification (3.i) sont disposés entre lesdits modulateurs de phase (10.i) et lesdits moyens de division de faisceau (4.i) prélevant lesdites parties de faisceau laser (p,),
1 1. Système selon la revendication 10,
caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur (1) engendrant un faisceau laser maître (Fm) et un diviseur de faisceau laser (2) engendrant lesdits faisceaux laser élémentaires (f,) à partir dudit faisceau laser maître (Fm).
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