Montée en puissance de lasers et d'amplificateurs à fibres dopées Ytterbium en régime continu et d'impulsions PDF Download
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Author: Sébastien Grot
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Languages : fr
Pages : 187
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Book Description
Des puissances extraordinaires sont, de nos jours, extraites de systèmes à fibres dopées (environ 10 kilowatts de puissance continue et environ 1 megawatt de puissance crête en régime d'impulsions). L'augmentation de la puissance dans les systèmes s'accompagne de l'apparition d'effets qui peuvent limiter leurs performances. Au cours de cette thèse, nous avons développé et étudié des systèmes à fibres dopées Ytterbium délivrant de très fortes puissances en régime de fonctionnement continu et en régime d'impulsions. Pour ce faire, nous avons retenu une technologie à fibre double-gaine couplée à des techniques de pompage adaptées. Nous avons, notamment, étudié et developpé une approche originale permettant d'amplifier de manière efficace des longueurs d'onde de faibles sections efficaces d'émission. Des puissance élevées, en régime continu, ont été atteintes qui valident les recettes proposées. La puissance s'élevant, les caractéristiques spatiales et spectrales de sources lasers, obtenues à plus faible puissance, peuvent se dégrader. Nous avons étudié et developpé une méthode originale permettant, pour un système fonctionnant en régime d'impulsions, de préserver, jusqu'à de très fortes valeurs de puissance crêtes, la pureté spectrale de sources cohérentes. Nous avons, en outre, développé un modèle d'analyse numérique qui permet la prédiction du profil temporel d'impulsions obtenues par amplification à l'aide de fibres dopées. L'étude de l'influence de divers paramètres de l'impulsion source sur le profil temporel obtenu en sortie permet de minimiser l'impact des effets non linéaires obtenus lorsque la puissance crête et l'énergie deviennent importantes. La confrontation des résultats du modèle avec ceux de l'expérience montre de bons accords. Ces résultats, associés au développement continu de nouveaux composants, mieux adaptés à une extraction de forte puissance tout en préservant les proporiétés spatiales et spectrales qui sont celles obtenues à plus faible puissance, laissent envisager que des puissances encore bien supérieures sont accessibles en retenant les mêmes techniques.
Author: Sébastien Grot
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Pages : 187
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Des puissances extraordinaires sont, de nos jours, extraites de systèmes à fibres dopées (environ 10 kilowatts de puissance continue et environ 1 megawatt de puissance crête en régime d'impulsions). L'augmentation de la puissance dans les systèmes s'accompagne de l'apparition d'effets qui peuvent limiter leurs performances. Au cours de cette thèse, nous avons développé et étudié des systèmes à fibres dopées Ytterbium délivrant de très fortes puissances en régime de fonctionnement continu et en régime d'impulsions. Pour ce faire, nous avons retenu une technologie à fibre double-gaine couplée à des techniques de pompage adaptées. Nous avons, notamment, étudié et developpé une approche originale permettant d'amplifier de manière efficace des longueurs d'onde de faibles sections efficaces d'émission. Des puissance élevées, en régime continu, ont été atteintes qui valident les recettes proposées. La puissance s'élevant, les caractéristiques spatiales et spectrales de sources lasers, obtenues à plus faible puissance, peuvent se dégrader. Nous avons étudié et developpé une méthode originale permettant, pour un système fonctionnant en régime d'impulsions, de préserver, jusqu'à de très fortes valeurs de puissance crêtes, la pureté spectrale de sources cohérentes. Nous avons, en outre, développé un modèle d'analyse numérique qui permet la prédiction du profil temporel d'impulsions obtenues par amplification à l'aide de fibres dopées. L'étude de l'influence de divers paramètres de l'impulsion source sur le profil temporel obtenu en sortie permet de minimiser l'impact des effets non linéaires obtenus lorsque la puissance crête et l'énergie deviennent importantes. La confrontation des résultats du modèle avec ceux de l'expérience montre de bons accords. Ces résultats, associés au développement continu de nouveaux composants, mieux adaptés à une extraction de forte puissance tout en préservant les proporiétés spatiales et spectrales qui sont celles obtenues à plus faible puissance, laissent envisager que des puissances encore bien supérieures sont accessibles en retenant les mêmes techniques.
Author: Sylvain Magne
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Languages : fr
Pages : 380
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CETTE THESE MONTRE L'INTERET DE L'AMPLIFICATION OPTIQUE ET DES LASERS A FIBRES DOPEES PAR DES IONS DE TERRES-RARES POUR L'INSTRUMENTATION ET LES CAPTEURS A FIBRES OPTIQUES. NOUS DETAILLONS LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS D'UNE TELLE TECHNOLOGIE PLACEE DANS SON CONTEXTE D'OPTIQUE INTEGREE, AINSI QUE SES PERSPECTIVES D'UTILISATION. APRES RAPPEL DE LA THEORIE DE LA PROPAGATION GUIDEE DANS LES FIBRES OPTIQUES, LES TECHNOLOGIES PERMETTANT DE REALISER DES FIBRES OPTIQUES DOPEES SONT DECRITES. UNE ETUDE COMPARATIVE DES METHODES D'ANALYSES DE PREFORMES ET DE FIBRES DOPEES PERMETTANT DE DETERMINER LEURS PROFILS DE GUIDAGE ET DE DOPAGE EST EGALEMENT PRESENTEE. LE COMPORTEMENT AMPLIFICATEUR DES FIBRES OPTIQUES DOPEES EST ENSUITE DECRIT THEORIQUEMENT EN INSISTANT SUR LES LIMITES FIXEES PAR L'ELARGISSEMENT INHOMOGENE DE LA TRANSITION LASER. L'EVOLUTION DU GAIN INTEGRE DE LA FIBRE EST MISE EN EVIDENCE EN FONCTION DES PARAMETRES INFLUANTS (LONGUEUR, RAYON DE DOPAGE...) EN SOULIGNANT L'INTERET D'UN RAYON DE DOPAGE OPTIMISE. LE SEUIL D'ACCROCHAGE DU LASER EST MODELISE PAR DES EQUATIONS ET DES ABAQUES SANS DIMENSION DETERMINANT LA LONGUEUR DE FIBRE OPTIMALE EN FONCTION DES PERTES DE LA CAVITE LASER. LA CONCEPTION GENERALE DU LASER A FIBRE EST ENSUITE SYNTHETISEE ET LES TECHNOLOGIES DES COMPOSANTS D'OPTIQUE INTEGREE ADAPTES A LA FIBRE AMPLIFICATRICE LE CONSTITUANT SONT COMPAREES. LES TECHNIQUES EXPERIMENTALES CONCERNENT PRINCIPALEMENT L'ETUDE DE L'ACCORDABILITE PAR EXCITATION SELECTIVE DE SITES ET DE LA LIMITATION DU GAIN PAR EMISSION STIMULEE SUR LA TRANSITION DE POMPAGE INDUISANT UNE ABSORPTION RESIDUELLE NON SATURABLE ; L'ETUDE DES EFFETS DE TRANSFERTS DANS LES FIBRES DOPEES PAR LUMINESCENCE COOPERATIVE : L'ETUDE D'UN PROCEDE DE CHANGEMENT DE VALENCE PAR IRRADIATION Y CONDUISANT A UNE REDUCTION DES IONS URANIUM PLACES EN MATRICE VERRE FLUORE (ZBLAN) ; LA DEMONSTRATION D'UN EFFET LASER A TROIS NIVEAUX, FONCTIONNANT EN REGIME CONTINU ET EN CONTRE-REACTION EXTERNE PAR RESEAU
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Languages : fr
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This research project focuses on high power fiber lasers operated in the continuous regime. The main objective is the implementation of a 400-W fiber laser using ytterbium- doped double clad fiber. The wide variety of high power fiber lasers assembled during this work has enabled the study of the thermal effects, the power limitations and the behavior of the output spectrum. The study includes simulations that characterize the behavior of fiber lasers operated in the continuous regime. Different laser configurations were tested at a signal power of 100 W. The heat transfer in double clad fibers was analyzed to circumvent the difficulties caused by the important amount of heat generated by these lasers. The concept of contact resistance is brought in to explain the temperature rise of active fibers. This was necessary for the realization of single-mode fiber lasers with over 350W of output power. The output power was only limited by the availability of pumps. Several compromises were necessary to achieve the high output power and the diffraction-limited beam quality. Thus, the photodarkening of the ytterbium doped fiber is still an issue for this kind of lasers. A tool to predict the spectral broadening of high power fiber lasers has been developed. It is shown that four-wave mixing broadens the outpu t spectrum of these lasers as a function of output power. The broadening of the output spectrum has been experimentally verified by the implementation of various lasers with different configurations. A theoretical model is presented, which shows a good agreement with experimental data.
Author: Ammar Hideur
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Languages : en
Pages : 166
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This work deals with the study of an ytterbium-doped double-clad fibre laser side-pumped using the v-groove technique operating in different regimes around 1.06mm. In the first part, we present the last developments in the field of high-power diode-pumped fibre laser including the double-clad structures and the pumping techniques. In the second part we investigate experimentally the dynamics of a high power ytterbium-doped double-clad fibre laser in various optical configurations. Different self-pulsing regimes are identified resulting from third-order non-linear effects. The third part is devoted to the study and the realisation of a passively mode-locked ytterbium-doped fibre laser using the non-linear polarisation rotation technique.
Author: Yoann alain Zaouter
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Languages : fr
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L'élaboration de sources laser compactes à impulsions ultracourtes et de fortes puissancesmoyennes est primordiale pour le développement d'applications industrielles variéeset pour la poursuite de travaux de recherches fondamentales sur l'interaction laser matière.Aussi, des efforts considérables sont mis en oeuvre pour développer de nouvelles architecturesde sources laser à impulsions ultracourtes et à très hautes cadences basées sur lesamplificateurs à fibres optiques dopées aux ions Ytterbium. La géométrie de ce type de milieuamplificateur lui confère des facultés de dissipation de l'énergie thermique propices àla délivrance de très fortes puissances moyennes. En revanche, le fort confinement des impulsionslumineuses dans le coeur de la fibre, combiné aux grandes longueurs d'interaction,favorise l'accumulation de phénomènes non-linéaires et dispersifs. Ces deux effets sont enprincipe préjudiciables et induisent de fortes distorsions sur les impulsions amplifiées. Celalimite les performances de ce type d'amplificateur. Le développement de stratégies novatricesde gestion des non-linéarités et des effets dispersifs est au coeur des travaux menésdurant cette thèse.L'accumulation d'auto-modulation de phase lors de l'amplification d'impulsions à spectreslarges initialement étirées à l'aide d'une dérive de fréquence négative est d'abord utiliséepour générer des impulsions picoseconde de puissances crêtes records à très hautes cadencesavec une largeur spectrale proche de la limite de Fourier. Par la suite, l'étude des limitationsde la stratégie d'amplification directe d'impulsions femtoseconde en régime parabolique, apermis de repousser significativement les performances de ces architectures. En prenant encompte les effets coopératifs de l'auto-modulation de phase, de la dispersion, de l'extensionfinie de la bande de gain du milieu amplificateur, nous avons pu générer des impulsionssub-100 fs avec des puissances crêtes records à des cadences très élevées. Enfin, nous avonsdéveloppé au cours de ces travaux une stratégie originale d'amplification à dérive de fréquenceen régime non-linéaire fondée sur l'utilisation de systèmes désaccordés de gestionde la dispersion. Cela nous a permis de compenser la phase non-linéaire induite durantl'amplification. Des impulsions de très fortes énergies et dotées d'une très bonne qualité177178 CHAPITRE 6. CONCLUSIONtemporelle ont été générées permettant ainsi d'établir de nouveaux records d'énergie et depuissance crête pour ce type d'architecture.Les résultats expérimentaux ont abouti à la rédaction de onze articles et ont conduitau dépôt de deux brevets. Par ailleurs, ces résultats ont été présentés dans trente-quatreconférences (dont six conférences invitées). Enfin, ils ont permis à la société AmplitudeSystemes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits :TANGERINE et SATSUMA.
Author: Damien Sangla
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Languages : fr
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Le nombre croissant d'applications des sources lasers de puissance favorise le développement de solutions techniques innovantes afin d'atteindre des performances inédites. Pour y parvenir, la technologie des lasers solides bénéficie des progrès considérables réalisés pour l'intégration et la montée en puissance des diodes lasers utilisées pour le pompage. Les milieux à gain doivent alors permettre une conversion efficace du rayonnement de pompage en rayonnement laser tout en limitant les phénomènes thermiques et les effets induits par la puissance crête. Au cours de cette thèse, nous proposons d'étudier deux concepts différents afin de dépasser les principaux écueils des systèmes émettant dans le proche infrarouge (1 μm). Dans le cadre d'une collaboration regroupant le Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique et l'entreprise Fibercryst, nous avons développé et caractérisé des fibres cristallines dopées Ytterbium élaborées par la technique de croissance micro-pulling down. Cette géométrie combinant les propriétés des cristaux massifs et les avantages des fibres en verre nous a permis d'obtenir des performances laser prometteuses pour la réalisation de systèmes alliant forte énergie, forte puissance moyenne et forte puissance crête. La seconde partie de ce travail de thèse est consacrée à l'étude du concept de pompage direct de cristaux dopés Néodyme dans les niveaux émetteurs. Cette voie, permettant de réduire à l'extrême l'échauffement dans le milieu, est fortement prometteuse pour l'amélioration des performances des systèmes laser utilisant des cristaux dopés Néodyme.
Author: Mathieu Huneault
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Pages : 108
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Les lasers à fibre optique dopée à l'ytterbium en régime continu de haute puissance ontune part de marché grandissante pour des applications d'usinage de métaux. Malgré qu'il s'agisse d'une technologie relativement répandue, un important problème subsiste dans laplupart de ces lasers. À haute puissance, la diffusion Raman stimulée transfère une partie de la puissance de la longueur d'onde principale d'émission des lasers autour de 1070 nm à la première bande de Stokes Raman autour de 1120 nm, ce qu'on appelle l'instabilité Raman. Cette puissance transférée est inutilisable et peut même être dangereuse pour le système laser et ses utilisateurs. Malgré les travaux théoriques et expérimentaux effectués sur ces lasers, très peu d'explications ont été fournies sur les liens entre les paramètres de la fibre optique et des réseaux de Bragg formant la cavité laser et l'instabilité Raman. Le but du projet de maîtrise présenté dans ce mémoire est donc de développer un modèle de simulation numérique de ces lasers, afin de comprendre et d'identifier les mécanismes dominants qui favorisent l'instabilité Raman et de trouver des configurations de montage la minimisant. Ce mémoire présente les deux modèles de simulation développés dans le cadre de ce projet. Le premier traite la propagation du signal laser comme étant unidirectionnelle, alors que le second la traite comme étant bidirectionnelle, ce qui se rapproche plus de la situation expérimentale. Le montage typique simulé est constitué d'une fibre optique à double gaine dopée à l'ytterbium ayant une grande aire modale effective, d'un réseau de Bragg à haute réflectivité et d'un réseau de Bragg à faible réflectivité servant de coupleur de sortie. Les simulations ont permis d'identifier cinq paramètres de la cavité laser ayant un impact important sur l'instabilité Raman. Une faible puissance moyenne du signal, une courte fibre optique de gain, une configuration de pompage en contrapropagation, c'est-à-dire par le côté du coupleur de sortie, ainsi qu'une plus faible réflectivité et une large bande réfléchissante du réseau de Bragg à faible réflectivité permettent de limiter la génération de l'instabilité Raman. L'optimisation de ces paramètres permet d'obtenir une cavité laser ayant extrêmement peu d'instabilité Ra-man. Ce faible niveau d'instabilité Raman semble être causé par une plus faible puissance intracavité, une courte distance de propagation et des modulations rapides de la puissance du signal. Des montages simulés incluant un filtre dans la cavité à la longueur d'onde de Stokes Raman, un réflecteur non linéaire ou une cavité de basse puissance amplifiée ont également montré une réduction significative de l'intensité de l'onde de Stokes Raman.
Author: Johan Boullet
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Languages : fr
Pages : 276
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Book Description
Ce mémoire présente les premières démonstrations expérimentales de combinaison cohérente en champ proche et en champ lointain dans des lasers à fibre à profil de gain discrétisé. Ces architectures permettent de repousser le seuil d’apparition des effets non-linéaires, limites fondamentales de la montée en puissance. Deux architectures sont étudiées théoriquement et expérimentalement : La première est construite autour d’une fibre à deux coeurs parallèles dopés ytterbium, localement couplés par fusion étirage. Nous démontrons la combinaison cohérente par voie interférométrique de 96% de la puissance laser sur le mode fondamentale gaussien d’un des coeurs. La seconde architecture proposée est bâtie autour d’une fibre à deux coeurs concentriques couplés tout au long de la fibre, de large section dopée de 385μm2, permettant une absorption de la puissance de pompage de 10W/m. La combinaison cohérente des rayonnements sur le seul coeur central a été démontrée avec une efficacité de 90%.
Author: Eric Lacot
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Languages : fr
Pages : 243
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Book Description
LA DYNAMIQUE D'UN LASER A FIBRE DOPEE ER#3#+ A ETE ANALYSEE AUSSI BIEN EN REGIME DE POMPAGE CONTINU QU'EN REGIME DE POMPAGE MODULE. EN POMPAGE CONTINU, LORSQUE L'ON AUGMENTE LA PUISSANCE DE POMPE, LE LASER ATTEINT UN SECOND SEUIL ET UNE BIFURCATION DE HOPF APPARAIT MENANT LE LASER D'UN REGIME DE FONCTIONNEMENT CONTINU A UN REGIME DE FONCTIONNEMENT PULSE. UNE ETUDE DE L'INFLUENCE DES PARAMETRES AUSSI BIEN INTRINSEQUES (DOPAGE, LONGUEUR, ...) QUE EXTRINSEQUES (POMPAGE, CAVITE, ...) NOUS A PERMIS DE DETERMINER DANS UN ESPACE DE PARAMETRES PROPRES AU LASER LA FRONTIERE ENTRE LES DIFFERENTS REGIMES DE FONCTIONNEMENT. NOUS AVONS AUSSI PU OBSERVER, AUSSI BIEN EN REGIME DE FONCTIONNEMENT CONTINU QU'EN REGIME DE FONCTIONNEMENT PULSE, QUE LE COMPORTEMENT TRANSITOIRE DE L'INTENSITE TOTALE DU LASER EST EN FAIT LA SOMME DES COMPORTEMENTS TRANSITOIRES DE DEUX ETATS ORTHOGONAUX DE POLARISATION. EN REGIME TRANSITOIRE (REPONSE A UN POMPAGE EN ECHELON) LE LASER A FIBRE PRESENTE DES OSCILLATIONS DE RELAXATION. C'EST EN MODULANT LA PUISSANCE DE POMPE DE MANIERE SINUSOIDALE AU VOISINAGE DE LA FREQUENCE DE RELAXATION QUE NOUS AVONS PU OBSERVER DANS LE COMPORTEMENT DYNAMIQUE DU LASER A FIBRE UNE CASCADE DE DOUBLEMENT DE PERIODES CONDUISANT A UN FONCTIONNEMENT CHAOTIQUE. NOUS AVONS DEVELOPPE UN MODELE SEMI-CLASSIQUE DECRIVANT DE LA DYNAMIQUE DU LASER A FIBRE DOPEE. CETTE DYNAMIQUE EST PARFAITEMENT DECRITE PAR UN MODELE DE DEUX LASERS COUPLES POMPES DE MANIERE COHERENTE. LA TRANSITION ENTRE LE REGIME CONTINU ET LE REGIME PULSE EST BIEN DECRITE AINSI QUE LES DEUX ETATS PROPRES DE POLARISATION ET LE COMPORTEMENT CHAOTIQUE
Author: Philippe Roy (professeur d'éducation physique).)
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Languages : fr
Pages : 252
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Book Description
DANS DE MULTIPLES DOMAINES TELS QUE LA TELEMETRIE, LA REFLECTOMETRIE OU LES COMMUNICATIONS EN ESPACE LIBRE, L'EMPLOI DE SOURCES D'IMPULSIONS LUMINEUSES A FORTE PUISSANCE CRETE S'AVERE NECESSAIRE. LES LASERS DECLENCHES A FIBRES DOPEES ERBIUM EMETTANT DANS LE DOMAINE DE SECURITE OCULAIRE ( = 1,53 M) SONT DES CANDIDATS PARTICULIEREMENT INTERESSANTS POUR CES APPLICATIONS. DANS CE MANUSCRIT LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DE DIVERSES SOURCES LASERS SONT PRESENTES ET COMPARES A CEUX DES SOURCES A FIBRES OPTIQUES DOPEES A L'ERBIUM. UNE APPROCHE THEORIQUE NOUVELLE (ASSOCIANT RAPIDITE DE CALCUL ET PRECISION DES RESULTATS) EST PROPOSEE POUR LA MODELISATION DE LASERS DECLENCHES A FIBRES DOPEES ERBIUM DE CONFIGURATIONS DIVERSES. LE PROGRAMME CONCU PERMET D'OPTIMISER LES PARAMETRES PRINCIPAUX DE CES SOURCES. LES MODELISATIONS THEORIQUES SONT MENEES DANS DEUX VOIES DISTINCTES, L'UNE VISANT A DETERMINER LES PERFORMANCES ULTIMES D'UN LASER DECLENCHE A FIBRE DOPEE ERBIUM, L'AUTRE ETANT DESTINEE A ASSISTER LA FABRICATION EXPERIMENTALE DE LASERS REALISES A L'AIDE DE COMPOSANTS STANDARDS. L'ETUDE EXPERIMENTALE MET EN EVIDENCE LE NOMBRE IMPORTANT DE PARAMETRES A PRENDRE EN COMPTE POUR REALISER UN DISPOSITIF EFFICACE. AINSI, LES CARACTERISTIQUES DE NOMBREUX COMPOSANTS (TYPE DE FIBRE, DOPAGE, LONGUEUR, PUISSANCE ET LONGUEUR D'ONDE DE LA DIODE DE POMPE, ETC...) ET DE PLUSIEURS SOURCES AUX ARCHITECTURES DIFFERENTES (LASER EN LIGNE, LASER EN BOUCLE, DISPOSITIFS HYBRIDES) SONT ETUDIEES. LES ALLURES DES IMPULSIONS OBTENUES SONT DECRITES ET ANALYSEES A LA LUMIERE DES ELEMENTS THEORIQUES PREALABLEMENT DEVELOPPES. L'ENSEMBLE DE CE TRAVAIL ABOUTIT FINALEMENT A LA REALISATION DES SOURCES TOUT FIBRE PUISSANTES (4KW A 1KHZ ET 1KW A 10KHZ) ET COMPACTES SUSCEPTIBLES D'ETRE UTILISEES EN TELEMETRIE, EN IMAGERIE ACTIVE OU EN REFLECTOMETRIE...
