Cuisiner avec des lasers telecom : une introduction à la combinaison incohérente

Si vous connaissez la série The Big Bang Theory, vous avez peut-être vu cette scène pendant laquelle Leslie Winkle réchauffe son déjeuner à l’aide d’un laser. En utilisant un laser chimique à l’oxygène iodé de 500 kW, elle réchauffe ses pâtes en 2.6 secondes montre en main…

Chauffer sa soupe avec un laser : un problème de source

…En travaillant en photonique, je rêvais de pouvoir réaliser ce genre d’expériences. Malheureusement, à Cailabs, nous ne disposons pas de lasers de 500 kW.

Partons du principe que l’on souhaite manger ce midi un demi-litre de soupe de légumes d’automne. Supposons que l’on veuille chauffer cette soupe avec un laser Telecom de 20 W de puissance continue, ce qui n’est tout de même pas rien, afin d’augmenter de 50°C la température de mon repas. Oublions la physique des matériaux et partons de l’hypothèse que toute l’énergie du laser est absorbée de manière homogène par le mélange savoureux de potiron, de courge butternut, de navet et d’une pointe de coriandre. Il faudrait alors attendre 87 minutes pour pouvoir manger une soupe chaude [Calcul en fin d’article]. Définitivement le micro-onde s’avère être un choix plus judicieux.

La puissance des lasers : une vraie problématique

En dehors de pouvoir chauffer rapidement sa soupe le midi, la limitation en puissance des lasers est une vraie problématique dans de nombreux domaines. Dans les LiDARs ou les contre-mesures, la portée d’un système est limitée par la puissance de la source. Pour l’usinage laser, augmenter la puissance des lasers tout en préservant un profil de faisceau propre s’avère être un vrai défi pour les laséristes.

Augmenter cette puissance est souvent extrêmement coûteux, voire parfois impossible, ou au coût d’une dégradation des performances annexes, comme la qualité du faisceau. La solution est alors souvent d’utiliser plusieurs sources en parallèle et de les combiner. La particularité de ces sources dites «incohérentes», lorsqu’elles sont combinées, est de ne pas produire d’interférences. En effet, contrairement à la combinaison cohérente, il n’est pas nécessaire de les mettre en phase pour pouvoir les combiner puisque leurs intensités « s’ajoutent ».

A Cailabs, on nous demande souvent « pouvez-vous combiner plusieurs lasers en une sortie de puissance maximale et de divergence égale à 1 », ou en d’autres termes, de combiner de manière incohérentes plusieurs sources en un unique Gaussien de puissance de sortie égale à la somme des entrées.

Spoiler : la réponse est non.

Ce qu’il n’est pas possible de faire : combiner plusieurs sources en un seul faisceau unique.

Lorsque nous cherchons à combiner plusieurs sources laser différentes, celle-ci sont naturellement incohérentes. Cela signifie que les faisceaux ne peuvent pas interférer entre eux, que cela soit de manière constructive ou destructive. En conséquence, une conversion unitaire, c’est-à-dire sans pertes, ne permet pas de conserver un M² égal à 1. En d’autres mots, il n’est pas possible d’obtenir une unique sortie monomode à partir d’une entrée multimode. Cette transformation reviendrait à violer les lois de la physique.

Pour le comprendre, prenons un exemple simple représenté sur la figure ci-dessous de 2 faisceaux d’entrée monomodes, de puissance P1 et P2. Supposons que nous souhaitons combiner ces deux faisceaux en un unique faisceau de sortie P_out, monomode également. Si la puissance du faisceau de sortie est égale à la somme de la puissance des deux faisceaux d’entrée, cela signifie que toute la puissance des deux faisceaux est dirigée vers une même et unique sortie. Comme les faisceaux sont incohérents chaque entrée peut être considérée indépendamment, le système est linéaire et la puissance de sortie est égale à P_out = P_{1 +} P₂.

Maintenant, supposons que nous éteignons le laser n°2. Toute l’énergie du laser n°1 va vers la sortie. Etant donné le principe de retour inverse de la lumière, si l’on prend le système dans le sens inverse, cela signifie que toute la puissance de la sortie est également dirigée vers l’entrée 1.

De la même manière, si nous éteignons désormais le laser n°1, toute l’énergie du laser n°2 va vers la sortie. Si nous utilisons à nouveau le principe de retour inverse de la lumière, toute l’énergie de la sortie irait vers l’entrée n°2.

Supposons enfin un faisceau venant de la sortie de puissance P_out=1. Nous venons de montrer que toute l’énergie de ce faisceau va vers l’entrée 1, donc P₁=1, mais aussi que toute l’énergie va vers l’entrée n°2. Donc P₂=1. Avec un laser de puissance 1, nous venons de construire deux sorties de puissance 1 également. Nous avons créé de l’énergie !

Ce système serait donc magique. Mais il est surtout malheureusement faux. En pratique, nous avons un ratio de ½ dans chaque voie pour préserver les lois de la physique. En d’autres termes, un système transformant deux faisceaux gaussiens en un unique faisceau gaussien de M2 égal à 1 possède 50% de pertes. Un tel système ne permet donc aucun gain.

En conséquence, combiner plusieurs lasers augmente nécessairement le M2 et donc la divergence. De la même manière, il n’est pas possible de coupler tous les modes d’une fibre multimode vers une unique fibre monomode sauf à utiliser des techniques de recombinaison cohérente.

Alors quelle solution ?

Mais alors comment faire pour augmenter la puissance des sources ? S’il n’est pas possible de combiner des faisceaux non cohérents sans augmenter la divergence, il existe heureusement des stratégies pour les combiner de manière optimale, c’est-à-dire en limitant au maximum la divergence.

Dans notre prochain article, nous allons montrer comment, en manipulant la lumière à l’aide d’un MPLC, il est possible d’augmenter la puissance d’une source, tout en gardant une divergence minimale. Et si vous n’avez pas la patience d’attendre, vous pouvez commencer par jeter un œil à cet article⁽¹⁾.

Sources:

(1) Fast adaptive laser shaping based on multiple laser incoherent combining

– L. Garcia, O. Pinel, P. Jian, N. Barré, L. Jaffrès, J.-F. Morizur, G. Labroille – SPIE Photonics West LASE, 10097-3 (2017) – Read the abstract

 Annexe : Calcul détaillé pour le chauffage d’une masse à chauffer

• L’équation nécessaire a un tel calcul s’écrit de la manière suivante :

• Avec P la puissance du laser en kW; Δt le temps en minutes; M la masse en kg; C_p la capacité thermique massique en kJ/(kg.K) et ΔT la variation de température en K.

Par David Allioux

David Allioux a obtenu son doctorat en physique à l’Université de Lyon. Il a rejoint Cailabs en 2018 en tant que Chef de projet et de produits. Il est responsable du développement et de l’intégration de solutions R&D en télécommunications. Il apporte également son expertise au développement et à la commercialisation de la gamme de produits dédiée aux communications laser.