Les lasers jouent collectif

Zoom in the lab - Numéro 55

Le lidar est un superbe outil d’analyse à distance. Polluants, vitesse du vent, humidité, turbulences et de nombreux objets peuvent être  détectés grâce cet appareil utilisant des lasers. Pour améliorer les performances du lidar, les chercheurs de l’ONERA ont récemment mis au point avec succès un système permettant de combiner deux lasers.

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Mise en œuvre en laboratoire d’un lidar utilisant la combinaison cohérente. En blanc, représentation du trajet du lidar, de la source vers l'atmosphère, puis retour vers le capteur de mesure (même chemin)

Les lidars sont aujourd’hui largement utilisés pour mesurer la vitesse du vent avant d’implanter des éoliennes, pour détecter des vestiges archéologiques, ou encore pour détecter les tourbillons de sillage dans les aéroports. Son principe est équivalent à celui des radars (le lidar est d’ailleurs parfois appelé radar laser), utilisant le rayonnement lumineux visible ou infrarouge plutôt que les ondes radars.  Le lidar envoie une puissante impulsion laser vers l’atmosphère, où la lumière interagit avec les particules et les molécules de l’air. Une fraction de ce rayonnement modifié revient vers un capteur, où il est analysé. On peut ainsi connaître la vitesse des particules, donc de l’air, grâce à l’effet Doppler (l’effet qui explique que la sirène d’un véhicule d’urgence qui vient vers nous devient subitement plus grave dès qu’il s’éloigne). On peut également en déduire la nature et la concentration de polluants.

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Les tourbillons de sillage et leur caractérisation au-dessus des pistes grâce au lidar

Cependant, plus ce que l’on souhaite analyser est éloigné, plus la fraction de lumière qui revient vers le capteur est faible. Cela limite les distances d’analyse à quelques kilomètres. Pour gagner en distance et en précision, il faudrait utiliser des lasers plus puissants. Cependant, cette puissance est limitée par la nature même des lasers : au-delà d’un certain seuil, la lumière laser interagit avec la fibre optique dans laquelle elle se propage, et se dégrade en créant des ondes acoustiques sur lesquelles elle se réfléchit et endommage des composants. D’où l’idée d’utiliser plusieurs faisceaux lasers, et de les combiner en sortie, pour augmenter la quantité de rayonnement laser produit sans augmenter la puissance laser dans les fibres.

Cependant, superposer les deux faisceaux en sortie ne suffit pas. Il faut également synchroniser les deux faisceaux de manière qu’ils n’en forment plus qu’un, deux fois plus puissant. Autrement dit, il faut les mettre en phase, de même qu’en aviron, les athlètes doivent ramer en cadence, sous peine de perdre toute efficacité. Tout comme les rameurs doivent avoir leurs rames émergées ou immergées au même instant, les amplitudes des deux ondes  lasers doivent être maximum ou minimum au même moment.

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C’est bien quand les amplitudes des deux signaux sont synchronisées, que la combinaison des deux produit l’amplitude maximale

Pour réussir ce tour de force, on prend un faisceau laser que l’on sépare en deux à l’aide de miroirs. Ainsi, on est certain que les deux ondes  ont les mêmes caractéristiques. Puis on amplifie chaque rayonnement, tout en restant en deçà des puissances à partir desquelles le signal se dégrade. Enfin, on combine les faisceaux en contrôlant leur phase à l’aide d’un appareil appelé modulateur de phase, qui avance ou retarde l’un ou l’autre faisceau pour les faire coïncider. « Ce système de mise en phase existait déjà pour des faisceaux laser en continu, explique Laurent Lombard, responsable de ces recherches à l’ONERA. Mais nos lidars fonctionnent avec des impulsions laser courtes, de 0,2 à 0,4 microsecondes, durant lesquelles la lumière ne parcourt qu’une centaine de mètres. Ces impulsions sont espacées de 100 microsecondes, durant lesquelles il faut impérativement refaire les corrections pour remettre les faisceaux en phase. Or, nous n’avons les informations nécessaires à ces corrections que pendant les impulsions. Notre astuce a été de laisser passer un tout petit peu de lumière laser en continu, juste pour pouvoir contrôler la phase à tout moment. »

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Schéma du lidar de mesure de vitesse de vent basé sur une source combinée. Les deux signaux (en sortie du boitier 50/50) sont mis en cohérence avant d’être amplifiés puis combinés (en vert et rouge) et transmis vers l’atmosphère. 

Après une publication exposant l’application de cette technique sur un laser impulsionnel en 2011, l’équipe du département d'Optique théorique et appliquée l’a mise en œuvre dans un lidar et a prouvé qu’elle fonctionnait, sans aucune dégradation du signal lidar. Avant de transférer la technologie à des industriels, elle doit juste prouver qu’elle fonctionne à puissance élevée : aujourd’hui, deux lasers de 50 watts ont été combinés de manière cohérente, et il faut passer à deux fois 500 watts. La preuve de la robustesse, quant à elle, est déjà faite : « nous avons vérifié que l’asservissement fonctionne toujours même lorsqu’une perceuse à percussion  frappe la table optique », souligne Laurent Lombard. Ces dispositifs pourront donc être embarqués à bord des avions, par exemple pour mesurer leur vitesse, en remplacement des sondes Pitot actuellement utilisées, mais pas toujours fiables. Ils pourraient également être embarqués dans un satellite pour surveiller les gaz à effet de serre depuis l’espace.

A terme, la combinaison cohérente de lasers pourrait ouvrir la voie à d’autres applications que les lidars, par exemple en chirurgie, pour couper avec une précision inégalée. Plus futuriste encore, le projet Ican prévoit d’accélérer des particules avec 10 000 lasers combinés  !

Courtesy of Nature Photonics (The future is fibre accelerators)

Vue d’artiste de l’amplificateur par combinaison cohérente du projet ICAN, dont les applications pourraient bouleverser des domaines comme le nucléaire et le médical.

Cécile Michaut, journaliste scientifique

contact : Laurent.Lombard \@/ onera.fr