MT180 : Ma thèse inspirée par « Star Wars » et « Ghostbusters » : combinaison de lasers

Un exemple célèbre de combinaison de laser. Rodwane Chtouki, Author provided

Mon sujet de thèse s’intitule « Nouveaux concepts pour la combinaison cohérente de lasers ». Plusieurs choses se cachent derrière cette phrase relativement accessible (comparé à certain·e·s de mes collègues doctorant·e·s dont les sujets font parfois plusieurs dizaines de mots).

La chose la plus simple à comprendre, c’est que je souhaite combiner des lasers, un peu comme le canon de l’étoile noire dans Star Wars ou comme dans SOS fantômes, quand les personnages « croisent les effluves », pour gagner plus de puissance. Il est en effet plus facile de combiner plusieurs petits lasers que d’en faire un très gros.

Pour y arriver, on pourrait se contenter de simplement superposer nos différents spots lasers. Dix lasers pointés sur une même cible doivent la chauffer dix fois plus qu’un seul laser, non ? En pratique ce n’est pas aussi simple. On est très vite limité en puissance via cette méthode parce que les lasers interfèrent entre eux, ce qui a pour effet de diminuer la puissance totale. Une manière de pallier ce problème est de tirer profit de ces interférences, en les contrôlant. Si on s’assure que nos lasers oscillent bien ensemble (on dit alors qu’ils sont en phase), on peut tirer un maximum de puissance de cette superposition. Cette technique de combinaison est dite cohérente (comme on le retrouve dans mon intitulé de thèse).

Combinaison de plusieurs faisceaux lasers pour en créer un plus puissant. Rodwane Chtouki

La partie « nouveaux concepts » décrit le type de source laser que je souhaite combiner. Le spectre de la lumière visible s’étend entre 0,4 et 0,8 µm de longueur d’onde, c’est-à-dire entre deux pics d’oscillations de la lumière (où 1 µm représente un millionième de mètre). Je souhaite pour ma part combiner des lasers de longueur d’onde allant de 3 µm à 5 µm, qui est donc hors du spectre visible et qu’on appelle Moyen-Infrarouge. Cette fenêtre de « couleur invisible » est très intéressante car elle se propage bien dans l’atmosphère, ce qui peut être utile pour les télécommunications par exemple. Elle est aussi très absorbée par certains gaz polluants, ce qui est pratique pour développer des instruments pour la sécurité. Et tout comme une pierre qui a besoin d’être lancée fort si on veut qu’elle aille loin, notre instrument à besoin de puissance pour avoir de la portée.

Le problème est qu’on ne sait pas bien faire de lasers dans cette gamme-là, on est donc obligé d’utiliser une astuce : on peut changer la couleur d’un laser en le faisant passer dans un matériau particulier, un cristal qu’on dit non linéaire. Ainsi on peut partir des lasers dont la réalisation est maîtrisée pour obtenir notre couleur invisible.

Grâce à un cristal particulier, on est capable de changer la « couleur » (plus précisément la longueur d’onde) d’un faisceau laser (qui provient parfois lui aussi d’un cristal). Rodwane Chtouki

La dernière étape est d’associer les deux thématiques évoquées précédemment : la combinaison cohérente et la conversion de laser. Mais les cristaux sont des matériaux fragiles, ce qui fait qu’on ne peut pas commencer par la combinaison cohérente puis convertir, car notre cristal recevrait alors toute la puissance combinée, ce qui le détruit. On se charge d’abord de convertir la lumière de notre laser, pour ensuite combiner notre couleur invisible. Cette dernière représente aussi un challenge, car on ne sait pas s’assurer que nos lasers moyen infrarouge oscillent bien en phase. On est obligé d’agir en amont, sur ce qui entre dans le cristal, afin de s’assurer la combinaison cohérente des lasers convertis.

Les retombées scientifiques de mes travaux

Ces méthodes de combinaison permettront, d’une manière générale, d’améliorer les instruments qui utilisent des lasers infra-rouge. Les principales retombées seront ainsi dans l’instrumentation, en particulier en application au lidar (équivalent du radar mais où les ondes radios sont remplacées par des lasers). Mes travaux permettront notamment d’augmenter la puissance des sondes lidar pour augmenter la portée et la précision de l’instrument, avec sûrement des applications embarquées d’ici cinq à dix ans.

Pourquoi « Ma thèse en 180 secondes »

Je suis en première année de thèse et l’inscription à « Ma thèse en 180 seconds » m’a aidé à entrer pleinement dans ma thèse. Je suis encore plus motivé chaque jour pour obtenir des résultats à présenter et pour mieux comprendre chaque détail des expériences. Le fait de devoir expliquer très simplement mon sujet m’a poussé à éclaircir toutes les petites zones d’ombres qu’il pouvait y avoir. MT180 m’a poussé à avoir une maîtrise complète et autonome de mon sujet de thèse.