FR2875018A1 - Dispositif de combinaison de faisceaux laser ayant des longueurs d'onde differentes - Google Patents
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Abstract
La présente invention est relative à un dispositif de combinaison de lasers ayant des longueurs d'onde différentes, du type à source laser (7) comportant plusieurs émetteurs laser élémentaires disposés linéairement côte à côte, et selon l'invention, il comporte un barreau optique (10) en forme de parallélépipède rectangle dans lequel est inscrit un réseau de Bragg épais réfléchissant (8), ce barreau étant disposé face à la source de façon que son grand axe (11) soit sensiblement perpendiculaire à la direction d'émission des émetteurs laser élémentaires, un réseau de micro-lentilles de collimation (9) étant interposé entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante (12) étant disposée à la sortie (10a) du barreau, les strates d'indice du réseau de Bragg faisant un angle d'environ 45° par rapport au grand axe du barreau.
Description
DISPOSITIF DE COMBINAISON DE FAISCEAUX LASER AYANT DES
LONGUEURS D'ONDE DIFFERENTES
La présente invention se rapporte à un dispositif de combinaison de faisceaux laser ayant des longueurs d'onde différentes.
On utilise actuellement des dispositifs de combinaison comportant chacun une source laser en barrette constituée de plusieurs sources laser semiconductrices élémentaires (par exemple, typiquement, 10 à 12 éléments), cette source étant associée à une cavité optique externe comportant un réseau dispersif fonctionnant en réflexion, une lentille convergente disposée entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante formant avec le réseau une cavité optique.Ce dispositif connu ne permet pas d'obternir des sources laser de puissance élevée, par exemple supérieure à 10 W, et il présente une grande dépendance vis-à-vis de la loi de dispersion du réseau et des caractéristiques de la lentille.
La présente invention a pour objet un dispositif de combinaison de lasers ayant des longueurs d'onde différentes pouvant assurer un faible écart de longueur d'onde entre les différentes sources laser à combiner, tout en ayant une bonne séparation spatiale entre les différentes composantes spectrales du faisceau unique combiné, ce dispositif présentant une dissipation thermique la plus faible possible, même pour des puissances optiques élevées.
Le dispositif conforme à l'invention est du type à source laser comportant plusieurs émetteurs laser élémentaires disposés linéairement côte à côte, et il est caractérisé en ce qu'il comporte un barreau optique en forme de parallélépipède rectangle dans lequel est inscrit un réseau de Bragg épais réfléchissant, ce barreau étant disposé face à la source de façon que son grand axe soit sensiblement perpendiculaire à la direction d'émission des émetteurs laser élémentaires, un réseau de micro-lentilles de collimation étant interposé entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante étant disposée à la sortie du barreau, les strates d'indice du réseau de Bragg faisant un angle d'environ 45[deg] par rapport au grand axe du barreau.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif de combinaison de lasers à réseau de type Littrow de l'art antérieur, et - la figure 2 est un schéma simplifié d'un mode de réalisation d'un dispositif de combinaison de lasers à réseau de microlentilles et réseaux de Bragg conforme à l'invention.
La présente invention est décrite ci-dessous en référence à un émetteur laser en forme de barrette constituée de plusieurs sources élémentaires, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en u̇vre pour différents autres types d'émetteurs laser, tels qu'un réseau de lasers semiconducteurs à ruban large (par exemple d'une largeur de 100 Microm) ou un réseau de lasers tapers . Le dispositif de l'invention permet alors de réaliser une fonction de filtrage à la fois spatial et spectral du mode de l'émetteur laser grâce à la cavité externe formée par le dispositif de l'invention et décrite ci-dessous. L'émetteur peut aussi être formé par un réseau de lasers à fibres optiques dopées Yb ou Er par exemple.
Le dispositif de combinaison représenté en figure 1 comporte une barrette laser 1 constituée d'un réseau linéaire de N sources laser élémentaires Si (avec i allant de 1 à N. Typiquement N=10 à 12, mais il est bien entendu que N peut avoir une valeur différente). Une telle barrette est couramment disponible dans le commerce. L'objectif est de réaliser une source laser telle que chaque source élémentaire S; émette sur sa propre longueur d'onde ,; , les fréquences correspondantes 1 à N étant ordonnées dans un ordre croissant de Si à SN . Ceci est réalisé grâce à une cavité optique externe incluant une fonction dispersive, par exemple du type à réseau. Dans le mode de réalisation classique représenté sur le dessin, on utilise un réseau 2 fonctionnant en réflexion, qui est un réseau de Littrow.Le réseau 2 est disposé face à la barrette 1, à 45[deg] par rapport à l'axe optique 3 de cette barrette, l'axe 3 passant par le centre du réseau 2. Une lentille convergente 4 est interposée entre la barrette 1 et le réseau 2. Le faisceau réfléchi par le réseau 2 est dirigé vers une lame semitransparente 5. On constitue ainsi une cavité optique délimitée par le réseau 2 et la lame 5. En aval de la lame 5, on obtient un faisceau 6 multiplexé en longueurs d'onde.
Comme précisé ci-dessus, le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est lié à la loi de dispersion du réseau 2 et à la focale de la lentille 4, ce qui en rend difficile la modification, par exemple si on change la barrette 1.
Le dispositif de la figure 2 permet d'éliminer ces inconvénients. Ce dispositif est illuminé par une barrette laser 7, qui peut être identique à la source 1. Il comporte essentiellement un réseau de Bragg épais 8 en amont duquel est disposé un réseau 9 de microlentilles de collimation. Le réseau 8 est formé dans un barreau optique 10, qui a avantageusement une forme de parallélépipède rectangle. Le réseau 9 peut être fixé sur le barreau 10 ou en être légèrement distant. Ce réseau 9 est réalisé et disposé de telle façon que le foyer objet de chacune de ses microlentilles coïncide avec le centre de la face de sortie d'une source élémentaire Si de la barrette 7, les axes des microlentilles étant tous parallèles entre eux.Le réseau 8 peut être réalisé, par exemple, à l'aide d'un barreau de matériau polymère ou en verre photosensible, dans lequel est photoinscrit un réseau de Bragg de période spatiale A; . Les strates de ce réseau forment un angle de 45[deg] par rapport aux axes optiques des microlentilles 9, l'axe longitudinal 11 du barreau 10 étant perpendiculaire à ces axes optiques des microlentilles. Les caractéristiques du réseau de Bragg (période spatiale, indice du milieu constituant le barreau) sont adaptées aux différentes longueurs d'onde i̇ des sources laser Si.Il en résulte que lorsque les sources Si émettent des faisceaux lasers, ces faisceaux sont collimatés par les microlentilles 9, se réfléchissent sur les strates correspondants du réseau 8 et se propagent ensuite dans le barreau 10 parallèlement à l'axe 11, et sortent par l'extrémité frontale 10A contre laquelle est fixée une lame 12 semi-réfléchissante.
On forme ainsi, pour chaque longueur d'onde i̇, une cavité optique laser externe délimitée d'un côté par le miroir de Bragg correspondant du réseau 8 et de l'autre côté par la lame semi-réfléchissante 12. L'énergie rétrodiffusée par chaque cavité vers la source correspondante Si se diffracte dans le milieu amplificateur constituant la source considérée. Bien entendu, les longueurs des différents trajets optiques des cavités laser élémentaires sont différents du fait de l'épaisseur non nulle du réseau de Bragg 8.
La longueur d'onde d'émission i̇ de chaque source élémentaire Si est liée aux propriétés du réseau de Bragg, dont les strates sont inclinés à 45[deg] par rapport à la direction des faisceaux incidents. L'angle d'incidence i̇ de ces faisceaux par rapport à la surface de ces strates est tel que : sin i̇ = 1/2 ( i̇ / n. i̇) , expression dans laquelle ,; est la longueur d'onde de la source Si, n étant l'indice de réfraction du milieu dans lequel est formé le réseau 8. Dans le cas présent, on a i̇ = /4. La sélectivité spectrale , c'est-à-dire la différence minimale de valeurs entre deux longueurs d'onde consécutives est telle que : / n/n avec n= variation d'indice entre les strates du réseau 8.L'épaisseur d du barreau 10 et la variation d'indice n fixent l'efficacité de diffraction de chaque miroir de Bragg du réseau 8, avec = th ( d n / i̇) . Une efficacité de diffraction élevée est obtenue si le déphasage photoinduit lors de l'inscription du réseau 8 est supérieur à . Cette condition impose l'épaisseur d du barreau 10. Compte tenu des propriétés spectrales du réseau de Bragg épais, seule la longueur d'onde ,; est réfléchie par le miroir de Bragg élémentaire de rang i. Les autres miroirs élémentaires situés sur le trajet optique de la cavité considérée ne contribuent pas à la diffraction du faisceau de cette cavité .
Les réseaux de Bragg sont réalisés dans un matériau photosensible épais, par exemple du PMMA dopé, ou, de façon avantageuse en utilisant des verres dopés qui présentent des variations d'indice de 10-3. Le réseau de Bragg est enregistré à l'aide de moyens optiques (non représentés) à la longueur d'onde de sensibilité spectrale du matériau du barreau 10 (par exemple le bleu-vert pour le PMMA ou l'ultraviolet pour le verre dopé). La période spatiale A; du réseau de Bragg est contrôlée par l'angle formé entre les faisceaux d'inscription du réseau. La lame 12 est un élément qui est avantageusement muni de ses propres réglages en position fixés sur le barreau 10, ou bien il peut être formé directement sur la face frontale polie 10a du barreau 10.La barrette 7 est constituée de plusieurs sources laser, par exemple dix, séparés spatialement les uns des autres de 1mm par exemple et spectralement de quelques dixièmes de nanomètre. Afin de réduire l'effet de cavité propre des sources de la barrette 7, et obtenir une bonne rétroinjection laser vers les sources due à la cavité externe, on peut avantageusement munir la face de sortie de cette barrette d'un revêtement anti-réfléchissant à la longueur d'onde moyenne des sources élémentaires. Pour rendre la structure du dispositif décrit ci-dessus compacte, on peut le réaliser de façon monolithique en collant le réseau 9 de microlentilles au barreau 10.
Le faisceau de sortie 13 du dispositif, issu de la lame 12, est focalisé par une lentille 14 à l'entrée d'une fibre optique 15, qui peut être une fibre optique amplificatrice dopée Er à double gaine.
Dans un exemple de réalisation, on avait fixé ainsi les différents paramètres
La barrette 7 était constituée de 10 sources élémentaires au pas de 1mm, émettant chacune un faisceau circulaire limité par diffraction. Ces sources étaient en GaInAsAl free . Le réseau 9 comportait 10 microlentilles.
La présente invention se rapporte à un dispositif de combinaison de faisceaux laser ayant des longueurs d'onde différentes.
On utilise actuellement des dispositifs de combinaison comportant chacun une source laser en barrette constituée de plusieurs sources laser semiconductrices élémentaires (par exemple, typiquement, 10 à 12 éléments), cette source étant associée à une cavité optique externe comportant un réseau dispersif fonctionnant en réflexion, une lentille convergente disposée entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante formant avec le réseau une cavité optique.Ce dispositif connu ne permet pas d'obternir des sources laser de puissance élevée, par exemple supérieure à 10 W, et il présente une grande dépendance vis-à-vis de la loi de dispersion du réseau et des caractéristiques de la lentille.
La présente invention a pour objet un dispositif de combinaison de lasers ayant des longueurs d'onde différentes pouvant assurer un faible écart de longueur d'onde entre les différentes sources laser à combiner, tout en ayant une bonne séparation spatiale entre les différentes composantes spectrales du faisceau unique combiné, ce dispositif présentant une dissipation thermique la plus faible possible, même pour des puissances optiques élevées.
Le dispositif conforme à l'invention est du type à source laser comportant plusieurs émetteurs laser élémentaires disposés linéairement côte à côte, et il est caractérisé en ce qu'il comporte un barreau optique en forme de parallélépipède rectangle dans lequel est inscrit un réseau de Bragg épais réfléchissant, ce barreau étant disposé face à la source de façon que son grand axe soit sensiblement perpendiculaire à la direction d'émission des émetteurs laser élémentaires, un réseau de micro-lentilles de collimation étant interposé entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante étant disposée à la sortie du barreau, les strates d'indice du réseau de Bragg faisant un angle d'environ 45[deg] par rapport au grand axe du barreau.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif de combinaison de lasers à réseau de type Littrow de l'art antérieur, et - la figure 2 est un schéma simplifié d'un mode de réalisation d'un dispositif de combinaison de lasers à réseau de microlentilles et réseaux de Bragg conforme à l'invention.
La présente invention est décrite ci-dessous en référence à un émetteur laser en forme de barrette constituée de plusieurs sources élémentaires, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en u̇vre pour différents autres types d'émetteurs laser, tels qu'un réseau de lasers semiconducteurs à ruban large (par exemple d'une largeur de 100 Microm) ou un réseau de lasers tapers . Le dispositif de l'invention permet alors de réaliser une fonction de filtrage à la fois spatial et spectral du mode de l'émetteur laser grâce à la cavité externe formée par le dispositif de l'invention et décrite ci-dessous. L'émetteur peut aussi être formé par un réseau de lasers à fibres optiques dopées Yb ou Er par exemple.
Le dispositif de combinaison représenté en figure 1 comporte une barrette laser 1 constituée d'un réseau linéaire de N sources laser élémentaires Si (avec i allant de 1 à N. Typiquement N=10 à 12, mais il est bien entendu que N peut avoir une valeur différente). Une telle barrette est couramment disponible dans le commerce. L'objectif est de réaliser une source laser telle que chaque source élémentaire S; émette sur sa propre longueur d'onde ,; , les fréquences correspondantes 1 à N étant ordonnées dans un ordre croissant de Si à SN . Ceci est réalisé grâce à une cavité optique externe incluant une fonction dispersive, par exemple du type à réseau. Dans le mode de réalisation classique représenté sur le dessin, on utilise un réseau 2 fonctionnant en réflexion, qui est un réseau de Littrow.Le réseau 2 est disposé face à la barrette 1, à 45[deg] par rapport à l'axe optique 3 de cette barrette, l'axe 3 passant par le centre du réseau 2. Une lentille convergente 4 est interposée entre la barrette 1 et le réseau 2. Le faisceau réfléchi par le réseau 2 est dirigé vers une lame semitransparente 5. On constitue ainsi une cavité optique délimitée par le réseau 2 et la lame 5. En aval de la lame 5, on obtient un faisceau 6 multiplexé en longueurs d'onde.
Comme précisé ci-dessus, le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est lié à la loi de dispersion du réseau 2 et à la focale de la lentille 4, ce qui en rend difficile la modification, par exemple si on change la barrette 1.
Le dispositif de la figure 2 permet d'éliminer ces inconvénients. Ce dispositif est illuminé par une barrette laser 7, qui peut être identique à la source 1. Il comporte essentiellement un réseau de Bragg épais 8 en amont duquel est disposé un réseau 9 de microlentilles de collimation. Le réseau 8 est formé dans un barreau optique 10, qui a avantageusement une forme de parallélépipède rectangle. Le réseau 9 peut être fixé sur le barreau 10 ou en être légèrement distant. Ce réseau 9 est réalisé et disposé de telle façon que le foyer objet de chacune de ses microlentilles coïncide avec le centre de la face de sortie d'une source élémentaire Si de la barrette 7, les axes des microlentilles étant tous parallèles entre eux.Le réseau 8 peut être réalisé, par exemple, à l'aide d'un barreau de matériau polymère ou en verre photosensible, dans lequel est photoinscrit un réseau de Bragg de période spatiale A; . Les strates de ce réseau forment un angle de 45[deg] par rapport aux axes optiques des microlentilles 9, l'axe longitudinal 11 du barreau 10 étant perpendiculaire à ces axes optiques des microlentilles. Les caractéristiques du réseau de Bragg (période spatiale, indice du milieu constituant le barreau) sont adaptées aux différentes longueurs d'onde i̇ des sources laser Si.Il en résulte que lorsque les sources Si émettent des faisceaux lasers, ces faisceaux sont collimatés par les microlentilles 9, se réfléchissent sur les strates correspondants du réseau 8 et se propagent ensuite dans le barreau 10 parallèlement à l'axe 11, et sortent par l'extrémité frontale 10A contre laquelle est fixée une lame 12 semi-réfléchissante.
On forme ainsi, pour chaque longueur d'onde i̇, une cavité optique laser externe délimitée d'un côté par le miroir de Bragg correspondant du réseau 8 et de l'autre côté par la lame semi-réfléchissante 12. L'énergie rétrodiffusée par chaque cavité vers la source correspondante Si se diffracte dans le milieu amplificateur constituant la source considérée. Bien entendu, les longueurs des différents trajets optiques des cavités laser élémentaires sont différents du fait de l'épaisseur non nulle du réseau de Bragg 8.
La longueur d'onde d'émission i̇ de chaque source élémentaire Si est liée aux propriétés du réseau de Bragg, dont les strates sont inclinés à 45[deg] par rapport à la direction des faisceaux incidents. L'angle d'incidence i̇ de ces faisceaux par rapport à la surface de ces strates est tel que : sin i̇ = 1/2 ( i̇ / n. i̇) , expression dans laquelle ,; est la longueur d'onde de la source Si, n étant l'indice de réfraction du milieu dans lequel est formé le réseau 8. Dans le cas présent, on a i̇ = /4. La sélectivité spectrale , c'est-à-dire la différence minimale de valeurs entre deux longueurs d'onde consécutives est telle que : / n/n avec n= variation d'indice entre les strates du réseau 8.L'épaisseur d du barreau 10 et la variation d'indice n fixent l'efficacité de diffraction de chaque miroir de Bragg du réseau 8, avec = th ( d n / i̇) . Une efficacité de diffraction élevée est obtenue si le déphasage photoinduit lors de l'inscription du réseau 8 est supérieur à . Cette condition impose l'épaisseur d du barreau 10. Compte tenu des propriétés spectrales du réseau de Bragg épais, seule la longueur d'onde ,; est réfléchie par le miroir de Bragg élémentaire de rang i. Les autres miroirs élémentaires situés sur le trajet optique de la cavité considérée ne contribuent pas à la diffraction du faisceau de cette cavité .
Les réseaux de Bragg sont réalisés dans un matériau photosensible épais, par exemple du PMMA dopé, ou, de façon avantageuse en utilisant des verres dopés qui présentent des variations d'indice de 10-3. Le réseau de Bragg est enregistré à l'aide de moyens optiques (non représentés) à la longueur d'onde de sensibilité spectrale du matériau du barreau 10 (par exemple le bleu-vert pour le PMMA ou l'ultraviolet pour le verre dopé). La période spatiale A; du réseau de Bragg est contrôlée par l'angle formé entre les faisceaux d'inscription du réseau. La lame 12 est un élément qui est avantageusement muni de ses propres réglages en position fixés sur le barreau 10, ou bien il peut être formé directement sur la face frontale polie 10a du barreau 10.La barrette 7 est constituée de plusieurs sources laser, par exemple dix, séparés spatialement les uns des autres de 1mm par exemple et spectralement de quelques dixièmes de nanomètre. Afin de réduire l'effet de cavité propre des sources de la barrette 7, et obtenir une bonne rétroinjection laser vers les sources due à la cavité externe, on peut avantageusement munir la face de sortie de cette barrette d'un revêtement anti-réfléchissant à la longueur d'onde moyenne des sources élémentaires. Pour rendre la structure du dispositif décrit ci-dessus compacte, on peut le réaliser de façon monolithique en collant le réseau 9 de microlentilles au barreau 10.
Le faisceau de sortie 13 du dispositif, issu de la lame 12, est focalisé par une lentille 14 à l'entrée d'une fibre optique 15, qui peut être une fibre optique amplificatrice dopée Er à double gaine.
Dans un exemple de réalisation, on avait fixé ainsi les différents paramètres
La barrette 7 était constituée de 10 sources élémentaires au pas de 1mm, émettant chacune un faisceau circulaire limité par diffraction. Ces sources étaient en GaInAsAl free . Le réseau 9 comportait 10 microlentilles.
REVENDICATIONS
1. Dispositif de combinaison de lasers ayant des longueurs d'onde différentes, du type à source laser (7) comportant plusieurs émetteurs laser élémentaires disposés linéairement côte à côte, caractérisé en ce qu'il comporte un barreau optique (10) en forme de parallélépipède rectangle dans lequel est inscrit un réseau de Bragg épais réfléchissant (8), ce barreau étant disposé face à la source de façon que son grand axe (11) soit sensiblement perpendiculaire à la direction d'émission des émetteurs laser élémentaires, un réseau de micro-lentilles de collimation (9) étant interposé entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante (12) étant disposée à la sortie (10a) du barreau, les strates d'indice du réseau de Bragg faisant un angle d'environ 45[deg] par rapport au grand axe du barreau.
1. Dispositif de combinaison de lasers ayant des longueurs d'onde différentes, du type à source laser (7) comportant plusieurs émetteurs laser élémentaires disposés linéairement côte à côte, caractérisé en ce qu'il comporte un barreau optique (10) en forme de parallélépipède rectangle dans lequel est inscrit un réseau de Bragg épais réfléchissant (8), ce barreau étant disposé face à la source de façon que son grand axe (11) soit sensiblement perpendiculaire à la direction d'émission des émetteurs laser élémentaires, un réseau de micro-lentilles de collimation (9) étant interposé entre la source et le réseau, et une lame semi-réfléchissante (12) étant disposée à la sortie (10a) du barreau, les strates d'indice du réseau de Bragg faisant un angle d'environ 45[deg] par rapport au grand axe du barreau.
Claims (2)
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau de sortie (13) du barreau est focalisé par une lentille (14) à l'entrée d'une fibre optique (15).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique est une fibre amplificatrice.
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|---|---|---|---|
| FR0409464A FR2875018B1 (fr) | 2004-09-07 | 2004-09-07 | Dispositif de combinaison de faisceaux laser ayant des longueurs d'onde differentes |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR0409464A FR2875018B1 (fr) | 2004-09-07 | 2004-09-07 | Dispositif de combinaison de faisceaux laser ayant des longueurs d'onde differentes |
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| JPS5660088A (en) * | 1979-10-22 | 1981-05-23 | Nec Corp | Multiwavelength light source |
| US6192062B1 (en) * | 1998-09-08 | 2001-02-20 | Massachusetts Institute Of Technology | Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power |
-
2004
- 2004-09-07 FR FR0409464A patent/FR2875018B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5660088A (en) * | 1979-10-22 | 1981-05-23 | Nec Corp | Multiwavelength light source |
| US6192062B1 (en) * | 1998-09-08 | 2001-02-20 | Massachusetts Institute Of Technology | Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 121 (E - 068) 5 August 1981 (1981-08-05) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2875018B1 (fr) | 2006-11-03 |
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