Brevet FR2787938A1 — publié le 20000630

SYSTEME D'ACCROISSEMENT DE LA BRILLANCE D'UN ENSEMBLE DE LASERS L'invention concerne un système permettant d'accroître la brillance d'un ensemble de lasers et notamment d'une barrette ou d'un empilement de barrettes lasers. Le contrôle de la divergence des lasers et réseaux de lasers semiconducteurs constitue un objectif de très grande importance pour les applications industrielles de ces sources. En effet, la puissance émise est extrêmement élevée (> lkW.cm'2), mais compte tenu de leur divergence dans le plan horizontal dû à un comportement multimode de la cavité laser semiconductrice, la brillance de la source et du réseau de lasers est réduite. 0 Il est connu dans la technique d'une réduction de la divergence d'une source élémentaire peut être obtenue par rétroinjection dans la source du faisceau émis et cela par une cavité externe réalisant un filtrage spatial des modes. L'objet de l'invention est de proposer un/ou plusieurs systèmes optiques adaptés à la réduction de divergence dans le plan horizontal non pas d'un laser élémentaire mais d'une barrette lasers et même d'un empilement 2D de barrettes lasers. L'idée de l'invention consiste à réaliser une cavité externe adaptée à un filtrage spatial collectif des modes transverses de chaque laser élémentaires. Il en résulte que l'on force chaque cavité élémentaire à osciller sur un mode unique, ce qui a pour effet de réduire la divergence dans le plan horizontal. On note que dans ce fonctionnement il n'y a pas de mise en phase des sources élémentaires. En effet, celles-ci restent incohérentes entre elles, avec une réduction de la divergence angulaire d'un facteur 10 à 20 dans le plan parallèle à la jonction. En d'autres termes, on peut s'attendre dans ce plan à une largeur angulaire proche de la limite de diffraction soit 08 t avec D largeur du D ruban émissif. L'invention concerne donc un système d'accroissement de la brillance d'un ensemble laser comprenant: - un ensemble de lasers émettant selon des directions parallèles; - un filtre spatial situé sur le trajet de chaque faisceau laser et transmettant des faisceaux lasers filtrés spatialement; - un miroir de couplage recevant et rétro- réfléchissant au moins partiellement lesdits faisceaux filtrés. Plus précisément, I'invention concerne un système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un dispositif de focalisation recevant les faisceaux émis par les lasers et transmettant des faisceaux focalisés; - un filtre spatial situé au point de focalisation du dispositif de focalisation; - un dispositif de collimation recevant les faisceaux émis par les lasers après focalisation et filtrage par le filtre et transmettant un faisceau collimaté; - un miroir de couplage formant miroir de cavité laser et commun à tous les lasers recevant les faisceaux transmis par le dispositif de collimation et les rétro-réfléchissant au moins partiellement. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: la figure la, un exemple de réalisation de l'invention appliqué à une barrette lasers; o la figure lb, un exemple de réalisation de l'invention appliqué à un empilement de barrettes lasers; les figures 2a et 2b, une variante des figures 1 a et 1 b; les figures 3a et 3b, un autre exemple de réalisation de I'invention utilisant un réseau holographique. L'objet de l'invention est par exemple d'accroître la brillance d'un ensemble de lasers LSC1 à LSC4 réalisés sous forme d'une barrette laser telle que représenté en figure 1. Le système de la figure 1 permet un filtrage spatial collectif des modes transverses émis dans le plan de la barrette (O,,). Ce système comprend les éléments optiques suivants: - Un objectif Li L2 formant l'image de la barrette LSC1 à LSC4 lasers sur un miroir plan MC. - Le miroir de couplage MC de coefficients de réflexion et de transmission R et T respectivement. - Un dispositif de filtrage spatial FS constitué d'une fente dont la largeur détermine le diagramme de rayonnement dans le plan parallèle au plan de la jonction. L'ensemble constitue une cavité multimode o chaque laser semiconducteur LSC1 à LSC4 voit une cavité externe de façon indépendante de la cavité vue par les lasers voisins. La rétroinjection dans la cavité et le filtrage spatial réduisent la divergence dans la direction 0,/ proche de la diffraction. La direction d'émission dans le plan vertical reste limitée par diffraction. La figure 1 b représente le système avec les plans des iO barrettes lasers perpendiculaires au plan de la figure. Dans ces conditions, la figure lb représente plusieurs barrettes lasers B1, B2, B3. La barrette B1, par exemple, correspond à la barrette de la figure la constituée des lasers LSC1 à LSC4. La figure lb applique l'invention à un empilement de barrettes lasers o le faisceau de sortie dans le plan perpendiculaire au plan des barrettes est rendu collimaté par un réseau de lentilles cylindriques LC1 (voir figure 1 b) dont le plan focal est situé au niveau du miroir de couplage MC. Pour réaliser la sélection de mode désirée, la largeur f de la fente de filtrage, pour obtenir la largeur angulaire 60,1, en sortie du miroir de couplage est donnée par la relation: F x X "F2 O avec f = 2F x D 2 /D étant la largeur totale du lobe de rayonnement d'un laser élémentaire qui serait limité par diffraction. Par exemple, on peut envisager la réalisation suivante: x = 0,8 pm D = 100 pm F1 = 50 mm f = 800pm 60, plan focal de la lentille LI. La formation de l'image de la source dans le plan du miroir de couplage MC peut être réalisée à l'aide d'un autre réseau de lentilles cylindriques LC3 (figure 2b) dont les axes sont également parallèles aux 2787-938 plans des barrettes. Dans ce cas l'émission d'un faisceau collimaté à divergence réduite nécessite encore un autre réseau de lentilles cylindriques LC4. L'émission dans le plan parallèle à la jonction est toujours celle représentée par la figure l a. Les figures 3a et 3b représentent un mode de réalisation plus compact du système de l'invention. Cette configuration met en oeuvre un filtrage spatial par un réseau holographique de volume RH. Le fonctionnement de cette cavité externe peut être décrit comme suit: Le faisceau émis par l'empilement de lasers est collimaté dans la direction 0_ (figure 3b). Dans le plan 0/ (figure 3a), le faisceau intercepte le réseau holographique RH de volume dont les strates sont perpendiculaires à la direction d'émission 0/. Le réseau dans ces conditions agit comme un filtre spatial compte tenu de sa sélectivité de Bragg. Un miroir de couplage MC placé normal à la direction de diffraction du réseau ferme la cavité externe. On note que dans ce système le même réseau RH réalise sans autre composant optique le filtre spatial de tous les faisceaux émis par l'empilement de lasers. La largeur angulaire 680 est ajustée par la sélectivité A Bragg du réseau holographique RH c'est-à-dire 60,, n- e e épaisseur du réseau RH A période spatiale. Ainsi on peut avoir l'application numérique suivante: 1 - A = 1 pm- e = 100 pm La structure des figures 3a et 3b est compacte (quelques centimètres d'épaisseur) et peut être réalisée sous une forme monobloc. Par comparaison, les configurations des figures 1la-lb, la-2b, la-2a ont un encombrement de l'ordre de 20 à 40 cm. - Le composant holographique de volume présente en outre l'avantage de réaliser également un filtrage spectral: une seule longueur d'onde diffracte dans les conditions de Bragg X = 2 A sin OB avec le maximum d'efficacité. Les autres longueurs d'ondes sont dispersées par le composant. Ce dispositif conduit donc à une amélioration à la fois de la qualité spatiale et spectrale du mode de chaque laser élémentaire de la barrette ou de l'empilement. - Le réseau à haute efficacité (> 90 %) est réalisé par enregistrement holographique dans un matériau photopolymère à variation d'indice photoinduite ayant l'épaisseur requise. On notera que pour obtenir un fonctionnement contrôlé des dispositifs présentés en cavité externe, il est souhaitable de déposer sur les lasers une couche anti-réfléchissante pour favoriser l'oscillation entre le miroir Rmax des lasers et le miroir de couplage MC. REVENDICATIONS 1. Système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un ensemble de lasers (LSC1 à LSC4) émettant selon des directions parallèles; - un filtre spatial situé sur le trajet de chaque faisceau laser et transmettant des faisceaux lasers filtrés spatialement; - un miroir de couplage recevant et rétro- réfléchissant au moins partiellement lesdits faisceaux filtrés. 2. Système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un dispositif de focalisation (L1) recevant les faisceaux émis par les lasers et transmettant des faisceaux focalisés; - un filtre spatial (FS) situé au point de focalisation (F) du dispositif de focalisation; 1 5 - un dispositif de collimation (L2) recevant les faisceaux émis par les lasers après focalisation et filtrage par le filtre (FS) et transmettant un faisceau collimaté; - un miroir de couplage (MC) formant miroir de cavité laser et commun à tous les lasers recevant les faisceaux transmis par le dispositif de collimation et les rétro-réfléchissant au moins partiellement. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre spatial comporte une fente ou un diaphragme dont l'ouverture définit le filtrage spatial. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque barrette émet un faisceau spatial de forme rectangulaire. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les faces d'émission des différents lasers sont disposées selon un même plan et que le miroir de couplage (MC) est parallèle à ce plan. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les différents lasers sont disposés dans un même plan formant ainsi une barrette laser. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs barrettes lasers empilées. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie du miroir de couplage (MC), une première matrice de lentilles (MC1), chaque lentille collimatant un faisceau émis par un laser. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une lentille cylindrique (LC2) est associée à chaque barrette de lasers et collimate les faisceaux émis par les lasers. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un ensemble de lentilles cylindriques (LC3) situé entre le filtre spatial (FS) et le miroir (MC) image les faces d'émission des lasers sur le plan dudit miroir et o10 en ce qu'un autre ensemble de lentilles cylindriques (LC4) reçoit les différents faisceaux par ledit miroir et collimate ces faisceaux. 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau holographique (RH) recevant les faisceaux émis par lesdits lasers et retransmettant des faisceaux filtrés spatialement; le miroir de couplage (MC) recevant les faisceaux filtrés et les rétroréfléchissants au moins partiellement vers le réseau holographique et lesdits lasers. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de lentilles cylindriques de collimation situées entre les lasers et le réseau holographique.