Brevet FR2784469A1 — publié le 20000414

La présente invention concerne un dispositif pour augmenter la luminance de diodes laser. Elle s'applique notamment pour des diodes laser de puissance disposées en barrettes ou en empilements de barrettes. Les diodes laser de puissance ont de nombreuses applications. Elles peuvent par exemple servir de diodes de pompage dans des sources laser de puissance. Elles peuvent mme servir directement dans des opérations à base de rayons laser telles que par exemple des applications d'usinage ou de découpage. Dans ce dernier cas, la radiation émise par les diodes peut directement permettre un usinage ou un découpage. Une diode laser seule, mme de puissance, ne fournit cependant pas une puissance suffisante pour ces applications. Pour atteindre quelques watts de puissance, éventuellement une vingtaine ou plus, il est nécessaire de regrouper les diodes en barrettes ou éventuellement en empilements de barrettes. C'est alors le faisceau laser émis par l'ensemble des diodes ainsi regroupées qui est utilisé. Toutes ces applications nécessitent de la part du faisceau laser produit une luminance importante. La luminance exprime l'intensité lumineuse par unité de surface, l'intensité lumineuse exprimant elle-mme la puissance par unité d'angle solide. Un moyen d'augmenter la luminance est de jouer sur la divergence du faisceau. En particulier, à puissance constante, en diminuant la divergence, on augmente la luminance. En fait, en ce qui concerne les diodes laser, la correction sur la divergence ne pose un problème que dans un plan horizontal, ou plus précisément dans le plan de jonction des diodes, sur des barrettes ou des empilements de barrettes. Dans un plan vertical, ou plutôt dans le plan perpendiculaire au plan de jonction des diodes, la diminution de la divergence du faisceau peut se faire très simplement. En effet, il est connu, pour diminuer la divergence du faisceau dans ce plan perpendiculaire, de mettre par exemple une lentille cylindrique dont le plan focal se situe dans le plan focal des diodes émettrices. Cette solution n'est cependant pas opérante pour la correction de la divergence dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes. Un but de l'invention est notamment de permettre la diminution de la divergence d'un faisceau émis par des diodes laser dans leur plan de jonction. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour augmenter la luminance de diodes laser, caractérisé en ce qu'une diode laser émettant un faisceau présentant deux maxima d'intensité, il comporte au moins des moyens pour superposer les deux maxima d'intensité. L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet de réaliser un dispositif compact et peu encombrant, qu'elle est particulièrement bien adaptée à la correction d'un faisceau laser issu d'un empilement de barrettes de diodes, qu'elle permet un bon rendement de transmission, qu'elle permet de réaliser des dispositifs selon une très bonne reproductibilite, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à I'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : -la figure 1, un exemple de réalisation de source laser à base de barrettes ou d'empilement de barrettes de diodes laser, les éléments de cette figure étant représentés dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes, ce qui sera par ailleurs le cas pour les figures suivantes 2 à 5 ; -la figure 2, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour augmenter la luminance d'une source, telle que par exemple celle de la figure 1 ; -la figure 3, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention où les deux maxima d'intensité du faisceau émis sont séparés d'un angle de 90 par un hologramme, -la figure 4, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention comportant deux hologrammes pour séparer les maxima précités symétriquement par rapport à l'axe optique des diodes laser ; -la figure 5, un exemple de réalisation en un seul bloc d'un dispositif selon l'invention ; -la figure 6, I'exemple de réalisation de la figure 5, vu dans un plan perpendiculaire au plan de jonction des diodes. La figure 1 illustre un exemple de source laser à base de diodes laser réalisée selon l'art antérieur. Les diodes laser 1 sont disposées en barrette ou en empilement de barrettes. Par la suite, une barrette et un empilement de barrettes seront évoqués indistinctement par l'expression empilement, s'il n'est pas nécessaire de les distinguer pour les besoins de la description. L'empilement 1 comporte ainsi par exemple environ 20 diodes laser s'il s'agit d'une barrette ou 200 diodes laser s'il s'agit par exemple d'un empilement de 10 barrettes. Une optique de collimation 2 est disposée à proximité de 1'empilement du côté du rayonnement des diodes. Cette optique de collimation est par exemple une lentille cylindrique ou un empilement de lentilles cylindriques dans le cas notamment d'un empilement de barrettes. Elle permet de limiter la divergence du faisceau laser émis dans le plan perpendiculaire au plan de jonction des diodes sur l'empilement, Les éléments de la figure 1 sont représentés dans ce plan de jonction. L'optique de collimation 2 permet de résoudre le problème de la divergence dans le plan perpendiculaire, mais elle ne permet pas de le résoudre dans ce plan de jonction ou dans tout autre plan parallèle, comme l'illustre la figure 1. Deux droites fléchées 3,4 représentant des maxima d'intensité du faisceau émis dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes, illustrent bien la divergence de ce faisceau dans ce plan. En regard de ces flèches 3,4 est représenté le diagramme d'émission 5 du faisceau laser émis par les diodes. Ce diagramme d'émission présente deux lobes 6,7 bien distincts correspondant aux maxima d'intensité du faisceau représentés par les droites fléchées 3,4. L'angle Ad, à 3dB, pris entre les bords extérieurs des lobes 6,7 peut atteindre 10 ,. ce qui caractérise une divergence importante du faisceau. L'angle Qp, entre les sommets des lobes 6,7 est quant à lui par exemple de 5 La divergence 3lObe d'un lobe, quant à elle, résulte de l'émission globale d'une barrette ou d'un empilement de barrettes. Les deux lobes 6,7 constituent donc un réel inconvénient. Ils proviennent notamment de la structure périodique des électrodes des diodes d'une barrette. L'invention tire profit de cet inconvénient pour obtenir un faisceau très faiblement divergent. Partant du fait que la divergence de chacun des deux lobes 6, 7, qui est par exemple de l'ordre de 2 à 3 , est inférieure, et mme très inférieure, à la divergence totale du faisceau émis qui est par exemple de l'ordre de 10 , le dispositif selon l'invention comporte des moyens qui superposent ces deux lobes 6,7 pour obtenir une source laser divergence réduite, dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes, et cela pour chacune des diodes de 1'empilement 1. La luminance de la source se trouve alors accrue de façon inversement proportionnelle a la réduction de la divergence du faisceau qu'elle émet, à d'éventuelles pertes de transmission près. Sur la figure 1, les lobes sont représentés avec une mme intensité, I'invention s'applique néanmoins à des cas plus généraux où les lobes n'ont pas la mme intensité ou encore à des cas où les lobes ont des divergences plus importantes. La figure 2 illustre un premier mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. Les éléments de cette figure sont toujours représentés dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes. Comme pour la figure 1, et comme pour les figures suivantes 3 et 4, pour des raisons de clartés, seuls les faisceaux et diagrammes relatifs à une diode laser 10 de 1'empilement sont représentés. Un empilement 1 émet un faisceau laser 21. Le dispositif selon l'invention comporte des moyens qui superposent les maxima d'intensité du faisceau 21 pour réduire la divergence dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes. II comporte par exemple aussi des moyens qui réduisent la divergence dans un plan perpendiculaire au plan de jonction. Une optique de collimation 2, par exemple une lentille cylindrique dont le plan focal se situe dans le plan focal des diodes laser, réduit la divergence de ce faisceau dans ce plan perpendiculaire. La divergence est par exemple alors réduite à environ 1 dans ce plan. L'optique de collimation 2 est disposée en sortie de faisceau de 1'empilement 1. En aval de l'optique de collimation 2 est placé un hologramme 22. Cet hologramme 22, des miroirs plans 23,24, une lame demi-onde 26 et un cube polariseur 25 font par exemple partie des moyens pour superposer les maxima d'intensité 3,4. L'hologramme 22, par exemple enregistré sur une plaque de verre, accroît l'angle entre les deux lobes d'émission et donc entre les deux maxima d'intensité 3,4 du faisceau laser. Cet accroissement de I'angle a notamment lieu dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes. En fait, I'hologramme 22 est par exemple utilisé pour qu'un maximum d'intensité 3, c'est-à-dire un lobe, soit diffracté. L'autre maximum d'intensité 4, c'est-å-dire l'autre lobe, traverse l'hologramme sans que sa propagation, et notamment sa direction, soit modifiée. L'hologramme 22 est par exemple un réseau de Bragg dont la variation d'indice de réfraction est périodique et de pas constant. Un tel reseau a notamment t'avantage d'tre très sélectif. II ne diffracte en effet que les rayons qu'il reçoit selon un angle d'incidence bien déterminé. Les deux maxima d'intensité 3,4 ainsi séparés sont ensuite recombinés au moyen de miroirs plans 23,24 dans un cube polariseur 25. Pour cela, en sortie de I'hologramme 22, le premier maximum 3, qui a été par exemple diffracté, se réfléchit dans un miroir plan 23 pour ensuite entrer dans le cube polariseur 25. De mme, en sortie de I'hologramme 22, le deuxième maximum 4, dont la propagation n'a par exemple pas été modifiée, se réfléchit sur un autre miroir plan 24 pour ensuite entrer dans le cube polariseur 25, mais après avoir traversé une lame demi-onde 26 qui tourne sa polarisation de 90 . Les deux maxima d'intensité 3,4 entrent par deux faces perpendiculaires du cube 25. Ces deux maxima sont initialement polarisés linéairement et horizontalement en sortie de 1'empilement 1, dans un plan parallble au plan de jonction des diodes. La polarisation d'un des maxima étant tournée de 90 , au moyen de la lame demi-onde 26, le maximum polarisé horizontalement 3 traverse le cube 25 alors que le maximum polarisé verticalement 4 est réfléchi dans le cube et est renvoyé dans la direction du premier maximum 3. Le cube polariseur 25 est par exemple disposé de façon à ce que les chemins optiques parcourus par les maxima 3,4 jusqu'à leur entrée dans ce cube, soient sensiblement identiques. L'orientation et la position des miroirs plans 23,24 permettent au cube polariseur 25 d'assurer la superposition des deux maxima d'intensité 3,4 et donc la superposition des deux lobes 6,7 du diagramme d'émission. En fait, les miroirs 23,24 sont par exemple orientés de façon à ce que les maxima d'intensité attaquent sensiblement à 45 le plan de réflexion 29 à l'intérieur du cube. Ainsi, en sortie du cube 25, la divergence du faisceau émis par 1'empilement 1, dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes, est sensiblement réduite à la divergence d'un maximum unique 3, 4, c'est-à-dire d'un lobe 6,7. Si la divergence d'un lobe est représentée par un angle e. obe de 2 à 3 , la divergence du faisceau a alors par exemple été réduite de 10 à 2 ou 3 II est à noter qu'a la suite du passage d'un maximum d'intensité 4 dans la lame demi-onde 26, le faisceau résultant en sortie du cube 25 comporte environ 50% d'onde ayant une polarisation et environ 50% d'onde ayant l'autre polarisation. Cela ne pose cependant pas de problèmes pour la plupart des applications. Le cube polariseur 25 peut tre remplacé par un demi-cube polariseur, en fait il peut tre remplacé par tout élément qui laisse passer un faisceau présentant une polarisation donnée mais réfléchit un faisceau présentant l'autre polarisation. La figure 3 illustre le cas où les maxima d'intensité 3,4 sont séparés d'un angles de 90 L'angle étant ainsi bien déterminé entre ces deux faisceaux 3,4, il est alors plus aisé de prévoir le réglage de position des autres éléments du dispositif, tels que notamment les miroirs 23,24, la lame demi-onde 26 et le cube polariseur 25. Pour amener I'angle de séparation entre les maxima à 90 , il suffit de jouer sur l'orientation du verre sur lequel est enregistré I'hologramme 22, en particulier sur I'angle d'inclinaison A ; qu'il fait par rapport à une direction perpendiculaire au faisceau 21 émis par 1'empilement 1. La figure 4 présente un autre mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention qui comporte deux hologrammes 22. Un but d'utilisation de deux hologrammes est notamment de permettre de séparer les deux maxima d'intensité 3,4 symétriquement par rapport à I'axe optique 41 de 1'empilement 1. Cet axe optique est en fait la direction d'émission du faisceau 21. Les deux hologrammes 22 sont placés l'un à la suite de l'autre en aval de l'optique de collimation 22. Un premier hologramme diffracte un premier maximum d'intensité 3 d'un angle donné 0 et laisse passer le second maximum 4 sans modification de propagation. Le deuxième hologramme dont le réseau se présente symétriquement au réseau du premier hologramme par rapport à I'axe optique 41, diffracte le deuxième maximum d'intensité 4 d'un angle-60 opposé à l'angle donné précité, et laisse passer le premier maximum d'intensité 3 sans modification de propagation. Un intért apporté par I'hologramme est qu'il permet de séparer les deux lobes sur une longueur de propagation extrmement courte. En effet, par exemple pour une barrette 1 continue, émettant une puissance typique de 20 W, et présentant deux lobes d'émission 6,7 de divergence elobe égal à 2 et séparés angulairement d'un angle Opics égal à 5 , il faut environ 20 centimètres de propagation libre pour que les deux lobes soient séparés dans l'espace de façon à pouvoir réaliser l'attaque du cube polariseur 25 par les deux maxima d'intensité 3,4. Avec I'hologramme 22, un centimètre de propagation suffit pour séparer les deux lobes de façon adéquat. Cela permet notamment avantageusement la réalisation d'un dispositif compact et peu encombrant. L'hologramme est par exemple conçu pour diffracter la totalité d'un seul maximum d'intensité. S'il s'agit d'un réseau de Bragg, sa tolérance angulaire AO vérifie notamment la relation suivante : ebeee ?(1) A titre d'exemple, dans un cas où le faisceau laser 21 émis par l'empilement possbde une longueur d'onde X = 800nm, et où la largeur des lobes est définie par I'angle elobe = 2 et la largeur entre les lobes est définie par I'angle Op, = 5 , un hologramme à réseau de Bragg ayant les caractéristiques suivantes : -Pas des franges : A = 1 im -Modulation de l'indice de réfraction : An = 0,03 -Epaisseur de I'hologramme : E = 1 3pm -Efficacité de diffraction : P = 99% Dans ce cas, la tolérance angulaire AO vaut par exemple sensiblement 3,5 et respecte donc la relation (1). La figure 5 présente un autre mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention qui a t'avantage d'tre très compact. II s'agit en fait d'un dispositif réalisé en un seul bloc. Une telle réalisation peut tre dite monobloc. Plus précisement, ce sont par exemple les moyens pour réduire la divergence dans un plan parallèle au plan de jonction des diodes, notamment les moyens pour superposer les maxima d'intensité 3,4, qui sont réalisés en un seul bloc 50. L'optique de collimation 2, qui permet de réduire la divergence dans un plan perpendiculaire, est par exemple située en amont du bloc 50, entre l'empilement 1 et ce dernier. Le bloc 50 comporte par exemple un bloc de verre 51. Sur sa face d'entrée, celle qui est en regard de l'empilement 1 et qui reçoit donc son faisceau, sont par exemple disposés deux hologrammes 22. Ces deux hologrammes sont par exemple superposés symétriquement par rapport à I'axe optique. Les plaques de verre sur lesquelles sont enregistrés ces hologrammes sont par exemple collées entre elles, I'ensemble étant luimme cotte sur la face d'entrée du bloc de verre 51. Comme dans le cas de la figure 4, les hologrammes 22 permettent de séparer symétriquement les maxima d'intensité 3,4 par rapport à I'axe optique de 1'empilement 1. Les hologrammes sont par exemple conçus pour que chaque maximum d'intensité 3,4 fasse un angle de 45 avec I'axe optique. Deux côtés 52,53 plans du bloc, adjacents à la face d'entrée du bloc de verre 51 et situés de préférence dans un plan perpendiculaire au plan de jonction des diodes, sont recouverts chacun d'un miroir sur leur face interne. De la sorte, les maxima d'intensité issus des hologrammes 22 se réfléchissent sur ces miroirs, qui jouent en fait le râle des miroirs 23,24 de la figure 2. Les côtés 53,54 précités font par exemple un angle de 90 avec la face d'entrée du bloc 51, cette face d'entrée faisant elle-mme un angle sensiblement égal à 90 avec I'axe optique de 1'empilement 1. La longueur de ces côtés doit par ailleurs tre notamment adaptée à la largeur 52 des faisceaux. Pour illustrer cette largeur, la figure 5 illustre les faisceaux et maxima d'intensité 3,4 relatifs aux diodes d'extrémité 10', 10"d'une mme barrette. Un faisceau global ou maximum d'intensité global comporte l'ensemble des faisceaux ou maxima élémentaires issus des diodes laser. Après réflexion sur les côtés 53,54, un des maxima d'intensité 3 traverse une lame demi-onde 55 alors que l'autre maximum 4 traverse par exemple une cale de verre 56 de mme épaisseur que la lame demionde 55. Cette dernière a la mme fonction que la lame demi-onde 26 de 1'exemple de la figure 2. La cale de verre 56 et la lame demi-onde 55 sont par exemple collées sur la face de sortie du bloc de verre 51, opposée à la face d'entrée. Après avoir traversé la lame demi-onde, pour l'un, et la cale de verre, pour l'autre, les deux maxima d'intensité 3,4 présentent entre eux des polarisations orthogonales. Un demi-cube polariseur 57 est par exemple cotte sur la lame demi-onde 55 et sur la cale de verre 56. Ce demi-cube a la mme fonction que le cube polariseur 25 du dispositif de la figure 2. En particulier, un maximum d'intensité 3 est réfléchi à 90 et vient ainsi se superposer à l'autre maximum d'intensité 4 en sortie du demi-cube 57. Ce traitement d'un faisceau issu d'une diode se produit donc pour tous les faisceaux des autres diodes d'une mme barrette 1 situées dans le plan de la figure 5. Dans le cas d'un empilement 1 de barrettes, ce traitement se produit pour chaque barrette. La figure 6 est une vue de côté suivant F du dispositif tel que représenté en figure 5. L'empilement 1 comporte par exemple cinq barrettes 100. La hauteur du bloc de verre 51 et de ses éléments associés, tels que notamment les hologrammes 22, la lame demi-onde 55, la cale de verre 56 et le demi-cube 57, est adaptée å la hauteur de 1'empilement 1. Un volume typique du bloc 50 représenté aux figures 5 et 6 est par exemple de quelques centimetre cubes. Avantageusement, le bloc 50 peut tre situé à quelques millimètres de 1'empilement 1. Ce bloc permet donc d'obtenir un dispositif compact pour augmenter la luminance d'une source à base de diodes laser, mais aussi de réaliser l'ensemble constitué de cette source et de ce dispositif lui aussi très compact et peu encombrant. Avantageusement encore, le bloc 51 permet de garantir une reproductibilité parfaite des paramètres de construction du dispositif, notamment en ce qui concerne les orientations relatives des différents éléments. Cela garantit notamment une très bonne maîtrise de l'orientation du faisceau en sortie du bloc, mais aussi bien sûr cela permet d'assurer la reproduction des performances de divergence d'une réalisation à l'autre. A ce titre, l'invention apporte aussi une grande économie de réalisation et une simplicité de mise en oeuvre. Un autre avantage d'un dispositif selon l'invention est qu'il n'entraîne pas de pertes de puissance importante du faisceau émis par 1'empilement 1. En particulier, les différents composants du dispositif ayant chacun un rendement de transmission de l'ordre de 95% par exemple, le rendement global peut atteindre 80 à 85%. Ce qui ne pénalise pas les applications en regard du gain important obtenu au niveau de la réduction de divergence des faisceaux, et donc du gain de luminance. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour augmenter la luminance de diodes laser, caractérisé en ce qu'une diode laser (10,10', 10") émettant un faisceau (21) présentant deux maxima d'intensité (3,4), il comporte au moins des moyens (22,23,24,25,26,50) pour superposer les deux maxima d'intensité. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de superposition comportent un hologramme (22) qui accroit I'angle entre les deux maxima d'intensité (3,4), un premier miroir plan (23) qui réfléchit le premier maximum (3) en sortie de I'hologramme, un deuxième miroir plan (24) qui réflechit le deuxième maximum (4) en sortie de I'hologramme, une lame demi-onde (26) qui tourne la polarisation d'un des maxima sensiblement de 90 et un élément (25) qui laisse passer un maximum (3) présentant une polarisation donnée et réfléchit le maximum (4) présentant l'autre polarisation, les miroirs (23,24) étant orientés de façon à ce qu'en sortie de l'élément (25) les deux maxima soient superposés. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que I'hologramme (22) laisse passer un maximum d'intensité sans modifier sa propagation et diffracte l'autre maximum d'intensité. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'hologramme (22) est un réseau de Bragg. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que I'hologramme (22) est orienté de façon à ce que les maxima d'intensité (3,4) soient écartés d'un angle sensiblement de 90 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux hologramme (22) disposés symétriquement par rapport à l'axe optique (41) des diodes de façon à séparer les maxima d'intensité (3,4) symétriquement par rapport à cet axe. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'élément (25) est un cube polariseur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que 1'616ment (25) est un demi-cube polariseur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de superposition forment un bloc (50) comportant : -un bloc de verre (51) dont la face d'entrée reçoit le faisceau issu des diodes et ayant deux côtés (52,53) plans, adjacents à la face d'entrée recouverts chacun d'un miroir sur leur face interne, -deux hologrammes (22) superposés symétriquement par rapport à l'axe optique des diodes, et fixés sur la face d'entrée du bloc de verre (51), les maxima d'intensité issus des hologrammes (22) se réfléchissant sur les miroirs ; -une lame demi-onde (55) et une cale de verre (56), après réflexion sur les côtés (53,54), un des maxima d'intensité (3) traversant la lame demi-onde (55) et l'autre maximum (4) traversant la cale de verre (56), -un demi-cube polariseur (57) dans lequel un maximum d'intensité (3) est réfléchi à 90 pour se superposer à l'autre maximum d'intensité (4) en sortie du demi-cube (57). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les hologrammes (22) sont enregistrés sur des plaques de verre collées sur la face d'entrée du bloc de verre (51). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les hologrammes (22) sont conçus pour que chaque maximum d'intensité (3,4) fasse un angle de 45 avec I'axe optique des diodes. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la cale de verre (56) et la lame demi-onde (55) sont collées sur la face de sortie du bloc de verre (51), opposée à la face d'entrée. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le demi-cube polariseur (57) est collé sur la lame demi-onde (55) et sur la cale de verre (56). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une optique de collimation (2) disposée en amont des moyens de superposition. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'optique de collimation est une lentille cylindrique. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diodes sont disposées en barrettes (1). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les barrettes sont empilées.