FR2758399A1 - Systeme de diodes-laser de puissance avec collecte du flux par fibre optique, ayant une brillance elevee - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de diodes-laser de puissance avec collecte du flux par un harnais (11) de fibres optiques, utilisable entre autre pour l'usinage des matériaux. Plusieurs fibres optiques contiguës sont utilisées pour chaque zone d'émission (9) des diodes-laser (8). La gaine optique des fibres est retirée aux extrémités, qui peuvent également être compactées. La réduction d'ouverture dans le plan de la forte ouverture des diodes-laser, est réalisée par une terminaison prismatique ou cylindrique de la face d'entrée des nappes (10) de fibres. L'extrémité de sortie du harnais peut avoir une section non circulaire, et, si l'application l'autorise, un multiplexage en longueur d'onde est utilisé pour augmenter la brillance.par.

Description

La présente invention concerne un système de diodes-laser de puissance avec collecte du flux par fibre optique, ayant une brillance élevée, et utilisable entre autre pour l'usinage des matériaux.

Ce système est essentiellement constitué par une ou plusieurs diodes-laser (8), et un harnais (11) de fibres optiques qui sont, à une extrémité, alignées en nappe (10) devant les zones d'émission (9) des diodes-laser, et à l'autre extrémité (12), assemblées en fagot avec une section généralement circulaire.

II est par ailleurs utilisable entre autre à des diodes-laser du type barrette, ou du type empilement de barrettes.

Les diodes-laser de puissance comportent habituellement une ou plusieurs zones d'émission de la lumière, ayant environ 30 à 250 microns de long dans le plan de la jonction p-n de la diode, et environ 1 micron dans le plan perpendiculaire. Les systèmes de diodes-laser de puissance fibrées utilisent actuellement une seule fibre optique par zone d'émission, le diamètre de la fibre étant égal ou légèrement supérieur à la longueur de la zone d'émission (cf. brevets Spectra-Physics n"486 175 A2 920520, et Applied
Optronics Corporation n" 680 620 Al 951108). Il s'ensuit une perte importante de brillance, par répartition de la lumière dans toute la section de la fibre. Des fibres optiques de section rectangulaire ont été proposées, mais elles sont de fabncation plus complexe et moins courante que les fibres de section circulaire, et de plus, elles rendent difficile un assemblage dense à l'extrémité de sortie du harnais. Une solution est donc d'utiliser plusieurs fibres contiguës par zone d'émission, alignées sur un rang, avec des diamètres très inférieurs à la longueur de ia zone d'émission, ce qui permet de confiner l'énergie dans un harnais de section de sortie minimale. A titre d'exemple, des fibres de diamètre de coeur d'environ 10 à 50 microns peuvent être utilisées. Toutefois, avec un harnais ayant plusieurs fibres par zone d'émission, les pertes au couplage qui se produisent à l'entrée de la nappe constituent un problème. Elles sont dues à ce qu'une partie de la lumière issue des zones d'émission, arnve soit entre les fibres, soit sur la gaine optique des fibres. Le problème est d'ailleurs similaire à l'extrémité de sortie du harnais, où l'épaisseur de la gaine optique et l'espace entre les fibres, limitent la brillance. Une solution à ce problème est d'utiliser des fibres dont la gaine optique a été retirée ou réduite, à l'une ou à chacune des extrémités du harnais, de façon à mettre les coeurs des fibres en contact. On peut par exemple utiliser une fibre ayant une gaine optique en matériau polymère, dénudable par des moyens mécaniques, thermiques ou chimiques, ou bien une fibre ayant une gaine optique en verre ou en silice, qui peut être réduite ou suppnmée aux extrémités par attaque acide. Une autre variante est d'utiliser des fibres dépourvues de gaine optique sur toute leur longueur. L'air entourant les fibres assure alors la réflexion totale. Cette dernière variante n'est utilisable que sur de courtes distances (préférentiellement inférieure à 1 mètre), à cause de l'élargissement d'ouverture qu'elle peut entraîner. Dans les deux cas, fibre dénudée et fibre sans gaine optique, si un produit d'enrobage, tel qu'une colle, est utilisé aux extrémités, il devra avoir un indice de réfraction adéquat. Une solution complémentaire, consiste à effectuer un compactage des fibres aux extrémités, pour diminuer l'espace libre entre elles, par ramollissement à la chaleur du matériau les constituant, sous contrainte mécanique. Ce compactage fera prendre aux extrémités des fibres, une section sensiblement carrée du côté de la nappe, et une section sensiblement hexagonale ou carrée du côté du fagot.

Par ailleurs, les systèmes de diodes-laser de puissance fibrées utilisent habituellement des lentilles cylindnques pour diminuer l'ouverture du faisceau dans le plan perpendiculaire à la jonction de la diode-laser. L'utilisation de lentilles a l'inconvénient d'occasionner des pertes, par divergence du faisceau dans le plan parallèle à la jonction ou encore par aberrations du système optique. Elle amène de plus une complexité mécanique due à la nécessité d'aligner entre eux précisément un ou plusieurs éléments optiques, la diode-laser et la nappe de fibres. L'une des originalités de la présente invention réside dans la réalisation de la réduction d'ouverture par une préparation particulière de la face des fibres. Ceci permet un couplage direct du faisceau issu de la diode-laser dans les fibres, sans composant optique, de façon à ce que tous les rayons entrent dans les fibres avec une ouverture qui soit au maximum égale à l'ouverture dans le plan de jonction de la diode-laser. Plusieurs variantes de terminaisons peuvent être utilisées. Elles sont plus ou moins adéquates selon le type, le nombre, et le diamètre des fibres utilisées. Une de ces variante est un profil en toit (figure 1), obtenu par exemple par polissage. Les fibres étant alignées en nappe, un polissage avec des inclinaisons successives permet de réaliser une extrémité prismatique sur l'ensemble de la nappe. On peut pour cela utiliser une ou plusieurs bagues de polissage avec un guide présentant l'inclinaison voulue. Un profil à simple pente avec plat central, permet d'obtenir des rapports de réduction d'ouverture de l'ordre de 3 à 4. Pour obtenir un rapport de l'ordre de 5 (par exemple pour réduire l'ouverture numérique de 0,5 à 0,11), un profil à double pente (2) avec plat (3) est nécessaire. Les angles entre les différents plans peuvent être vifs ou largement arrondis. La figure 1 montre une coupe dans le plan de la forte ouverture de la diode-laser, du codeur (1) d'une fibre de la nappe, présentant une extrémité à profil en toit à double pente (2) avec plat central (3). A titre d'exemple, pour des fibres de 50 microns de diamètre de coeur situées à 32 microns de la zone d'émission, le plat central a une largeur de 6,5 microns, et les pentes font avec le plat, des angles respectifs de, préférentiellement, 27 et 33 degrés.

Une variante de terminaison est l'obtention d'une face cylindrique (4) le long de la nappe avec la courbure dans le plan de la forte ouverture de la diode-laser (figure 2). Elle peut par exemple être réalisée par fusion de l'extrémité de la nappe, à l'aide d'un arc électrique ou d'un laser à gaz carbonique. Une autre technique de réalisation peut consister à tremper la nappe de fibres dans du verre en fusion ou dans une colle qui est ensuite polymérisée. Pour une bonne efficacité de couplage, le rayon de courbure du cylindre doit être de l'ordre de grandeur du rayon de coeur de la fibre. En conséquence, pour les deux procédés, fusion et trempage, il peut être utile de réaliser au préalable un polissage en toit de la nappe, avec éventuellement un plat central. Ce polissage pourra se faire selon les cas, sans enrobage des extrémités des fibres, ou avec un enrobage à point de fusion élevé. La face cylindrique peut aussi être éventuellement obtenue par polissage de l'extrémité de la nappe, par exemple à l'aide d'un outil abrasif rotatif de forme adéquate, au déplacement motorisé. Le polissage peut également permettre de réaliser une surface cylindro-hyperbolique, donnant le minimum d'aberrations. Des combinaisons intermédiaires entre la forme cylindrique et la forme prismatique peuvent également être efficaces. La figure 2 montre une coupe du coeur (1) d'une fibre de la nappe, dans le plan de la forte ouverture de la diode-laser, présentant une face d'entrée cylindrique (4). A titre d'exemple, pour une fibre de 10 microns de diamètre de coeur située à 8 microns de la zone d'émission, le rayon de courbure du cylindre est préférentiellement de 6,5 microns.

La face cylindrique peut également être un élément rapporté (figure 3), tel qu'un barreau cylindrique transparent (5) d'un diamètre similaire à celui du coeur (1) des fibres. Si ce barreau est collé sur la face d'entrée (6) de la nappe, la colle (7) a entre autre une fonction optique. S'il n'est pas collé, la distance à la zone d'émission est plus faible. Un tel barreau peut être constitué par un morceau de fibre. La figure 3 montre une coupe dans le plan de la forte ouverture de la diode-laser, du coeur d'une fibre (1) de la nappe ayant en son extrémité (6), un barreau cylindrique (5) collé.

Notons que chacune des variantes de préparation de l'extrémité des nappes de fibres, permet l'application d'un traitement antireflet avec les techniques habituellement utilisées pour traiter les faces des fibres.

Par ailleurs, le faisceau lumineux sortant du harnais peut, suivant les applications, être utilisé en l'état, ou collimaté, ou encore, dans le but d'être transporté sur une certaine distance, il peut être focalisé dans une fibre optique standard, par des moyens optiques classiques. Dans certaines applications pour lesquelles ces moyens optiques classiques seraient par exemple trop encombrants ou sensibles aux vibrations, une fibre optique à section continûment décroissante, dite fibre optique conique, d'une longueur de quelques mètres, peut également être utilisée pour raccorder la sortie du harnais avec l'entrée d'une fibre optique standard, réalisant ainsi entre eux, une adaptation de diamètre et d'ouverture. La section de gros diamètre de la fibre conique sera généralement du côté du harnais.

De même, pour certaines applications, dans le but d'augmenter l'efficacité d'utilisation du faisceau de sortie, les fibres optiques peuvent, à l'extrémité de sortie (12) du harnais, être rassemblées en un fagot de section non circulaire, telle que par exemple, carrée, rectangulaire, triangulaire, ovale, ou annulaire.

D'autre part, si certaines applications des diodes-laser fibrées nécessitent une finesse spectrale élevée, d'autres applications, telles que l'usinage des matériaux, requièrent essentiellement une densité d'énergie et une brillance élevées, la largeur spectrale étant de moindre importance. Un moyen d'accroître la brillance est alors d'utiliser un multiplexage en longueur d'onde (figure 4). Le multiplexeur permet de réunir en un seul, les faisceaux issus de plusieurs harnais. Il comporte des moyens optiques de collimation des faisceaux issus des différents harnais, un système discriminant les faisceaux en fonction de leur longueur d'onde, et éventuellement un moyen optique de focalisation du faisceau sortant du multiplexeur, vers l'utilisation ou vers une fibre optique de transport (15). Les moyens optiques peuvent être situés en amont, ou en aval, ou de part et d'autre, ou encore intégrés avec le système spectralement discriminant. En fonction de la largeur spectrale des diodes-laser, le système discriminant peut être de type sélectif, tel que des filtres interférentiels, ou dispersif, tel qu'un réseau de diffraction.

D'autre part, si les faisceaux issus des différents harnais sont chacun focalisés dans une fibre de transport, le multiplexeur peut être du type tout-fibre, c'est à dire avec des filtres interférentiels intercalés entre les faces des fibres de transport préalablement polies avec un angle et ensuite raboutées. En utilisant des techniques classiques telles que des filtres interférentiels (14), plusieurs longueurs d'onde peuvent être multiplexées avec un bon rendement, soit dans la même fenêtre spectrale, soit dans des fenêtres différentes, par exemple à 790, 810, 960 et 980 nm. Compte tenu de la disponibilité des diodes-laser et d'éventuels problèmes d'aberrations chromatiques à l'utilisation, on cherchera à multiplexer le plus grand nombre de longueurs d'onde dans la bande spectrale la plus étroite possible. Des systèmes de contrôle de la longueur d'onde des diodes-laser, par exemple en température, peuvent d'ailleurs être utilisés, pour augmenter la densité de longueurs d'onde multiplexables dans un domaine spectral donné. L'une des applications d'un système de diodes-laser fibrées et multiplexées peut également être le pompage de cristaux laser dans plusieurs bandes d'absorption. La figure 4 montre un schéma de multiplexage à quatre diodes-laser (8), chacune de longueur d'onde différente, avec des filtres interférentiels (14)travaillant en faisceaux collimatés par des lentilles (13).

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser (8) avec collecte du flux par un harnais (lui) de plusieurs fibres optiques dont les extrémités de sortie (12) sont rassemblées en fagot, caractérisé en ce qu'il comprend plus d'une fibre optique par zone d'émission (9).

2 - Dispositif selon ia revendication 1, caractérisé en ce que la gaine optique des fibres a été retirée ou diminuée en épaisseur à l'une ou aux deux extrémités, de façon à rendre les coeurs contigus.

3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres utilisées n'ont pas de gaine optique.

4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité des fibres optiques du côté de la diode-laser, a subi une mise en forme sensiblement carrée de leur section, de façon à diminuer l'espace libre entre elles.

5 - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser avec collecte du flux par un harnais de plusieurs fibres optiques dont les extrémités de sortie sont rassemblées en fagot, caractérisé en ce que les dites extrémités de sortie ont subi une mise en forme sensiblement hexagonale ou carrée de leur section, de façon à diminuer l'espace libre entre elles.

6 - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser avec collecte du flux par un harnais de plusieurs fibres optiques dont les extrémités de sortie sont rassemblées en fagot, caractérisé en ce que l'extrémité des fibres du côté de la diode-laser a une forme sensiblement prismatique destinée à réduire l'ouverture du faisceau.

7 - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser avec collecte du flux par un harnais de plusieurs fibres optiques dont les extrémités de sortie sont rassemblées en fagot, caractérisé en ce que l'extrémité des fibres du côté des diodes-laser a une forme sensiblement cylindrique destinée à réduire l'ouverture du faisceau.

8 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'extrémité des fibres optiques du côté des diodes-laser comporte un barreau cylindrique transparent positionné transversalement à l'axe desdites fibres, destiné à réduire l'ouverture du faisceau.

9 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau sortant du harnais est focalisé vers une fibre optique de transport.

10 - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser avec collecte du flux par un harnais de plusieurs fibres optiques dont les extrémités de sortie sont rassemblées en fagot, caractérisé en ce qu'une fibre optique de section variable est utilisée pour raccorder la sortie du harnais avec une fibre optique de transport.

Il - Dispositif d'une ou plusieurs diodes-laser avec collecte du flux par un harnais de plusieurs fibres optiques, caractérisé en ce que les extrémités de sortie desdites fibres sont rassemblées en un fagot de section utile non circulaire.

12 - Dispositif de plusieurs diodes-laser, certaines ayant des longueurs d'onde différentes, avec collecte du flux par plusieurs harnais de fibres optiques dont les extrémités de sortie sont rassemblées en fagots, caractérisé en ce qu'un système discriminant la longueur d'onde réunit les faisceaux issus desdits harnais, dans le but d'augmenter la brillance en sortie dudit dispositif.