Highly scalable femtosecond coherent beam combining system of high power fiber amplifiers

Architecture évolutive de combinaison cohérente femtoseconde pour amplificateurs à fibre de puissance

Anke Heilmann (1)

1 LULI - Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses

Future applications of high power ultrafast laser systems require simultaneously high average and peak powers. A technique which has proved to be capable of meeting these demands is coherent beam combining (CBC).In this technique, the beam is spatially split prior to amplification, and coherently recombined in one single beam afterwards. In order to achieve an efficient recombination, the spatial and spectral properties of all beams need to be perfectly matched.For applications such as particle acceleration, the coherent combining of several thousands of fibers needs to be considered. It is thus necessary to investigate highly scalable CBC architectures.The XCAN project aims at a first demonstration of such a scalable setup by coherently combining 61 fiber amplifiers. In order to study the scientific and technical challenges of such a system, a downscaled version consisting of seven fibers has been implemented.The design and characterization of this prototype is the subject of this thesis.As a starting point, numerical simulations have been performed in order to estimate the maximum tolerable mismatches between the spatial and spectral properties of the beams.Based on this modeling work, a seven fiber CBC system has been assembled and characterized. The obtained results are very promising and imply that our setup is well suited for the accommodation of all 61 fibers of the final XCAN demonstrator.

Allier de fortes puissances moyennes et crêtes donne accès à un champ applicatif très large pour un système laser ultrarapide. Une technique qui s’est avérée capable de satisfaire ces exigences est la combinaison cohérente de faisceaux (CBC). Elle permet de séparer spatialement les faisceaux avant l’amplification pour les recombiner ensuite d’une manière cohérente en un unique faisceau. Afin d’obtenir une recombinaison efficace, les propriétés spatiales et spectrales de tous les faisceaux doivent être parfaitement en accord.Pour des applications comme l’accélération de particules, le recours à plusieurs milliers de fibres doit être envisagé. Il est donc nécessaire d’étudier des architectures CBC fortement évolutives en termes de canaux amplificateurs.Le projet XCAN vise à une première démonstration d’un tel système en réalisant la combinaison cohérente de 61 fibres amplificatrices. Afin d’étudier les défis scientifiques et techniques d’une telle architecture, une version de taille réduite comprenant sept fibres a été mise en place.La conception et la réalisation de ce prototype sont le sujet de cette thèse.Dans un premier temps, des simulations ont été effectués afin d’estimer les désaccords tolérables entre les propriétés spatiales et spectrales des différents faisceaux.Basé sur ce travail de modélisation, un système laser de combinaison cohérente de sept fibres a été ensuite assemblé et caractérisé. Les résultats obtenus sont très prometteurs et montrent que notre architecture est bien adaptée pour accueillir les 61 fibres du démonstrateur final XCAN.

Mots clés: Coherent beam combining; Femtosecond laser; Fiber amplifiers

Mots clés: Combinaison cohérente de faisceaux; Laser femtoseconde; Fibres amplificatrices

Domaines: Optique [physics.optics]; Optique / photonique

Anke Heilmann. Highly scalable femtosecond coherent beam combining system of high power fiber amplifiers. Optics [physics.optics]. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. English. ⟨NNT : 2018SACLX112⟩. ⟨tel-02061434⟩