Brevet FR2832813A1 — publié le 20030530

'12 SYSTEME DE JUXTAPOSITION DE FAISCEAUX D'UN RESEAU DE DIODES LASERS L'invention concerne un dispositif optique permettant de juxtaposer des faisceaux issus d'un empilement de barrettes de diodes de puissance et d'en accroître la brillance. Le pompage optique de laser à solide par des barrettes de diodes lasers de puissance nécessite couramment des éclairements élevés. Une barrette de diodes est un assemblage monolithique et linéaire de diodes, dont les dimensions courantes sont d'un centimètre dans la direction parallèle au plan de la jonction du semi-conducteur et d'environ un micron dans la direction perpendiculaire. Chaque diode élémentaire de la barrette est éloignée de ses proches voisines d'une distance plus ou moins grande dépendant du fonctionnement continu ou quasi-continu de la barrette. Le réseau linéaire de diodes d'une barrette est placé entre une couche de contact ohmique et un substrat de matériau semi-conducteur. Pour augmenter la puissance d'émission, les barrettes sont superposées solidement les unes aux autres de façon à fabriquer un empilement dans lequel les diodes unitaires sont réparties en deux dimensions. L'intervalle entre deux barrettes varie selon le type d'applications et est au minimum de cent microns dans les fabrications de grande émittance telles que celles de la société française Thalès Laser Diodes et d'environ un à deux millimètres dans les fabrications courantes telles que celles de cette même société et des sociétés allemandes Dilas et Jenoptik Laser Diode. L'invention a pour but de juxtaposer les faisceaux émergents de ces empilements de diodes dont les intervalles entre barrettes sont de l'ordre du millimètre ou plus et d'accroître ainsi la brillance globale de l'ensemble des émetteurs. La divergence des barrettes de diodes est fortement dissymétrique. Dans le plan parallèle au plan de jonction, la valeur de la demi-divergence est d'environ 10 degrés alors que dans le plan perpendiculaire la valeur est voisine de 30 à 40 degrés. Il est courant de corriger cette dernière valeur de divergence en plaçant immédiatement après la sortie de chacune des barrettes, des micro-lentilles cylindriques de bonne qualité (asphérisées ou non) de manière à ce qu'après une collimation optique, la demi-divergence dans le plan perpendiculaire au plan de jonction soit ramenée à une valeur de l'ordre du demi-degré. L'invention concerne un système optique caractérisé en ce qu'il comporte des lames superposées transparentes et parallélépipédiques, de même épaisseur, de même largeur et ordonnées selon leurs longueurs croissantes dont l'assemblage en échelon optique permet de juxtaposer, après traversée des lames, les faisceaux émis par chacune des barrettes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple non limitatif et dans les figures annexées qui représentent : - figure 1, les faisceaux collimatés issus des micro-lentilles placées devant les barrettes de diodes superposées ; - figure 2, un exemple d'assemblage en échelon qui concerne un empilement de six barrettes de diodes ; - figures 3. a et 3. b, deux assemblages différents en échelons ; - figure 3. c, une variante d'assemblage de lames prismatiques de l'invention ; - figures 4. a et 4. b, des modes de réalisation de l'invention en trois dimensions, en lames séparées ou en échelon monobloc. L'invention repose sur l'utilisation de lames à faces parallèles re assemblées en échelons dont le nombre est égal, à une unité près selon les réalisations, au nombre de barrettes. La figure 1 présente un réseau (1) de barrettes de diodes (2) et les micro-lentilles associées (3). Le plan de figure est le plan de section perpendiculaire au plan de jonction. L'extension h du faisceau dans l'espace image des micro-lentilles est à comparer avec l'intervalle d qui sépare les axes des faisceaux empilés. Dans cet espace image, l'intervalle d est égal à do, l'intervalle entre deux barrettes. Le rapport h/d définit le taux de remplissage de l'empilement de diodes. Ces lames permettent de compenser en tout ou partie l'intervalle entre les faisceaux empilés dans l'espace image des microlentilles de façon à ce qu'après celles-ci, le taux de remplissage soit supérieur à h/do et s'approche de l'unité. Selon la figure 2, chacune des lames (4) est placée en regard d'une micro-lentille (3) de façon à ce que le faisceau incident issu d'une barrette (2) atteigne la première face (4.1) de la lame sous un angle d'incidence i différent de zéro. Les faces de sortie (4.2) sont toutes dans un même plan. En sortie de lame, le faisceau émergent de la face (4.2) est parallèle au faisceau incident. Il s'est décalé transversalement selon l'ordre p de la lame, d'une valeur égale à p fois le décalage produit par la lame de plus faible longueur. Les faces (4.1) et (4.2) sont traitées par des couches anti-reflet à la longueur d'onde d'émission des diodes. La longueur mécanique L des lames définit par le segment de droite entre les deux faces (4.1) et (4.2) varie d'une lame à l'autre ; mais pour un indice de réfraction n donné du matériau utilisé, la différence de longueur entre deux lames consécutives est constante et égale à AL = do (1-h/do)/sin (i-r) où r est l'angle de réfraction tel que n sin (r) soit égal à sin (i). Le nombre N de barrettes de diodes n'est pas un élément limitatif de l'invention. La longueur LN de la n-ième lame est égale à N AL. Pour une direction de polarisation des faisceaux incidents, parallèle au plan de jonction, l'angle d'incidence i peut être égal à l'angle de Brewster tel que tan (i) soit égal à n. Dans ces conditions, les pertes optiques sur les faces (4.1) et (4.2) sont minimisées sans addition de couches anti-reflet. L'épaisseur des lames est constante et égale ou supérieure à h cos (r)/cos (i). Pour l'incidence de Brewster, r = 1Ú2 - i et l'épaisseur est égale ou supérieure à n h et AL est égal à (do-h) (n2+1)/ (n2-1). La divergence résiduelle qui subsiste dans le plan perpendiculaire au plan de jonction, après collimation par les microlentilles cylindriques est en général suffisamment faible pour que les faisceaux émergents de l'ensemble des lames soient distincts les uns des autres. Dans un plan situé immédiatement après collimation, le taux de remplissage est égal au rapport h/do et dans le plan situé après le système optique, objet de l'invention, le taux de remplissage h/d est supérieur à h/do et peut atteindre l'unité. L'émittance et la brillance de la source globale constituée par les diodes unitaires empilées en deux dimensions ont augmenté par élévation du taux de remplissage tout en conservant la divergence des sources élémentaires obtenue après collimation. L'assemblage des lames constitue un échelon optique et peut être réalisé de différentes manières. Les figures 3. a et 3. b représentent différents assemblages qui utilisent successivement deux échelons à lames séparées (figure 3a) ou un échelon monobloc (figure 3. b). La figure 3. c est une variante de l'invention qui utilise un assemblage de lames prismatiques. La face de sortie (4.2) n'est plus parallèle à la face d'entrée (4.1). Les faisceaux émergents restent juxtaposés, mais leur direction d'émergence n'est plus parallèle à leur direction incidente et chaque faisceau subit une anamorphose dont la valeur dépend de l'angle relatif entre les faces (4.1) et (4.2). Le cas présenté sur la figure 3. c montre une anamorphose diminuant l'éclairement ainsi que la divergence par conservation de l'étendue géométrique ; il est possible d'envisager le cas opposé où l'éclairement diminue mais ou par contre la divergence augmente. La figure 4. a propose un assemblage non jointif des lames, ce qui permet une facilité dans l'ajustement des lames les unes par rapport aux autres. La figure 4. b présente un assemblage monobloc obtenu par collage ou par fixation mécanique ou par adhérence moléculaire des lames. Le monobloc constitué d'une seule pièce, peut être usiné ou moulé selon la nature du matériau constitutif, qui peut être soit du verre, soit un cristal naturel ou synthétique, soit une matière plastique ou une céramique. La divergence résiduelle des faisceaux collimatés par les microlentilles implique un recouvrement de ceux-ci après une distance z de propagation. On s'attachera à ce que la lame de plus grande longueur du système optique soit inférieure à z. Pour un système monobloc, cette contrainte disparaît. La largeur la des lames ou du monobloc est plus large que la longueur des barrettes et prend en compte la divergence dans le plan parallèle au plan de jonction. Le système de l'invention pourra trouver une application dans le pompage optique de lasers à solides pompés par des barrettes de diodes, notamment par exemple, pour la réalisation de lasers de forte énergie délivrée sous une puissance moyenne élevée. REVENDICATIONS 1. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, caractérisé en ce qu'il comporte N lames transparentes prismatiques, de même épaisseur, de même largeur et ordonnées selon les longueurs croissantes constituant un échelon optique et placées devant un réseau (1) de barrettes de diodes lasers (2) collimatées par des lentilles cylindriques (3), de sorte que : - la différence entre les longueurs de deux lames (4) de rangs consécutifs soit constante ; - chacune d'entre elles constitue une lame optique à faces (4.1) et (4.2) obliques ; - elles soient superposées selon leur épaisseur ; - l'ensemble des faces (4.2) soit dans un même plan. 2. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des différentes lames (4) est maintenue par un assemblage non jointif pour assurer une facilité dans l'ajustement des lames les unes par rapport aux autres. 3. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des lames (4) constitue un assemblage monobloc obtenu par collage ou par fixation mécanique ou par adhérence moléculaire. 4. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de l'échelon optique constitue un monobloc usiné ou moulé dans un même matériau. 5. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échelon optique est réalisé dans un verre, ou dans un cristal naturel ou synthétique, ou dans une céramique, ou dans une matière plastique. 6. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des lames (4) transmet un faisceau de lumière cohérente issu d'une barrette de diodes lasers (2) et collimaté par une micro-lentille cylindrique (3) ; le faisceau incident atteint la lame par la face (4.1) sous un angle d'incidence différent de zéro ; le faisceau émergent sort par la face (4.2). 7. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes lames (4) compensent en tout ou partie, l'intervalle entre les faisceaux empilés dans l'espace image des microlentilles. 8. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faisceaux de lumière cohérente issus d'un réseau (1) de barrettes équidistantes de diodes lasers (2) et collimatés par des microlentilles (3) sont en sortie, juxtaposés les uns aux autres, augmentant ainsi, la brillance moyenne du réseau. 9. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces (4.1) et (4.2) des différentes lames (4) sont traitées anti-reflet à la longueur d'onde du réseau (1) de diodes lasers (2) de façon à diminuer les pertes en réflexion. 10. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle d'incidence est l'angle de Brewster et que pour une direction de polarisation des faisceaux, parallèle au plan d'incidence, les pertes en réflexion des dioptres bruts des deux faces (4.1) et (4.2) sont nulles. 11. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces (4.2) ne sont pas parallèles aux faces (4. 1) ; l'échelon ayant un rôle de juxtaposition, les faisceaux émergents ayant une direction différente de la direction incidente et étant anamorphoses selon la valeur de l'angle relatif entre la face (4.2) et la face (4.1). 12. Système de juxtaposition de faisceaux d'un réseau de diodes lasers, selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les faces (4.2) sont parallèles aux faces (4.1) ; l'échelon ayant un rôle de juxtaposition, les faisceaux émergents étant parallèles aux faisceaux incidents.