FR3032562A1 - Procedes et dispositifs d'emission laser par combinaison coherente - Google Patents

Abstract

Selon un aspect, la présente description concerne un dispositif d'émission laser (100) comprenant un ensemble de N amplificateurs laser (121, 122, 123, ...) adaptés pour l'émission d'un faisceau laser dans une même bande spectrale d'émission, en face avant et en face arrière, une cavité laser (110) à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser, ladite cavité permettant d'assurer une mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser, et des moyens de combinaison cohérente (150) des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. La cavité laser comprend notamment un réflecteur (112), agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs et en face avant de chaque amplificateur laser, un miroir (130, 131, 132, 133, ...) présentant une réflexion partielle dans la bande spectrale d'émission.

Description

1 ÉTAT DE L'ART Domaine technique La présente description concerne des procédés et dispositifs d'émission laser par combinaison cohérente et s'applique notamment à la combinaison cohérente de faisceaux laser émis par des amplificateurs laser à semi-conducteur. Etat de l'art La combinaison cohérente d'émetteurs laser est un sujet de recherche très dynamique, qui a donné lieu à un nombre important de publications depuis le début des années 2000. La combinaison cohérente consiste à maintenir une relation de phase constante entre un ensemble d'émetteurs laser, de façon à ce que les faisceaux se superposent constructivement ; la puissance laser est augmentée et la qualité spatiale de la source est celle d'un émetteur laser unique, ce qui conduit à une augmentation de la luminance. Cette technique permet de dépasser les limites des émetteurs laser individuels, puisqu'elle permet de paralléliser les émetteurs laser tout en combinant les faisceaux sans dégradation des propriétés spatiales des émetteurs. De plus, la combinaison cohérente impose une longueur d'onde d'émission unique, ce qui assure de très bonnes qualités spectrales. L'article de revue de T.Y. Fan (« Laser Beam Combining for High-Power, High Radiance Sources, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 11, No 3 (2005)) décrit ainsi différentes techniques connues pour la combinaison cohérente d'émetteurs laser. Parmi les techniques les plus répandues aujourd'hui, on peut citer la combinaison cohérente d'amplificateurs laser en configuration MOPA (pour « Master Oscillator Power Amplifier »), avec contrôle actif de la phase relative de chaque faisceau émis par chacun des amplificateurs. On peut également citer la mise en phase d'émetteurs laser au moyen d'une cavité externe. Un exemple de dispositif d'émission laser par combinaison cohérente basé sur une combinaison d'amplificateurs laser en configuration MOPA est décrit sur la figure 1A. Le dispositif 10 comprend une source laser 12 qui injecte un faisceau de pompe dans N amplificateurs 15A, 15B, 15c, fonctionnant en parallèle, au moyen d'une lentille de collimation 13 et d'un séparateur optique 14. Un contrôle actif des phases relatives (1)1(0, 1:1)2(0, It^N(t) des N faisceaux amplifiés issus des amplificateurs permet leur mise en phase ; les faisceaux amplifiés sont alors combinés de manière constructive. Le contrôle actif des phases 3032562 2 relatives est réalisé par exemple au moyen d'un dispositif de mesure de la phase 16 couplé à une unité de contrôle 18 permettant le contrôle des courants d'injection dans chacun des amplificateurs laser. Ce contrôle actif des phases relatives nécessite cependant un algorithme d'optimisation performant, et une rétroaction rapide sur les courants d'injection, faisant de la 5 combinaison cohérente d'amplificateurs laser en configuration MOPA une technique très performante mais complexe et coûteuse. Un exemple de mise en phase d'émetteurs laser au moyen d'une cavité externe est décrit sur la figure 1B. Le dispositif d'émission laser 20 représenté sur la figure 1B comprend une cavité laser 22 formée entre un miroir 21 et un coupleur 24 et, à l'intérieur de la cavité, un 10 ensemble d'amplificateurs laser 25A, 25B, 25c, agencés dans cet exemple sous forme d'une barrette 23. La cavité laser 22 est agencée pour permettre la mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs. Par exemple, il est connu d'utiliser une cavité laser utilisant l'effet Talbot pour la mise en phase (voir le brevet US4813762) ; d'autres architectures de cavité sont connues, utilisant par exemple un combineur diffractif et un réseau de Bragg 15 holographique (voir le brevet US7949030) ou des réseaux holographiques de gain auto- adaptés enregistrés dans des milieux actifs (voir le brevet US 7876976). Les faisceaux mis en phase sont alors combinés de manière cohérente au moyen d'un combineur 26. La mise en phase au moyen d'une cavité externe présente par rapport à une configuration MOPA une plus grande simplicité de mise en oeuvre du fait de la mise en phase passive des amplificateurs 20 laser. Cependant, on observe à forte puissance une dégradation de la cohérence ; par ailleurs, l'efficacité de l'extraction est limitée par le coupleur 24 de la cavité laser 22 qui doit nécessairement réfléchir une partie importante du flux utile pour obtenir l'émission laser dans la cavité, typiquement de l'ordre de 30%. Un objet de la présente description est de proposer une architecture originale pour un 25 dispositif d'émission laser permettant la combinaison cohérente de faisceaux émis par des amplificateurs laser individuels ou en barrette qui allie la simplicité d'une mise en phase passive et l'efficacité électro-optique des configurations MOPA. RE S UME 30 Selon un premier aspect, la présente description concerne un dispositif d'émission laser comprenant un ensemble de N amplificateurs laser adaptés pour l'émission d'un faisceau laser dans une même bande spectrale d'émission, en face avant et en face arrière. Le dispositif comprend en outre une cavité laser à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser, ladite cavité laser permettant d'assurer une mise en phase des faisceaux émis en face 3032562 3 arrière par lesdits amplificateurs laser. Ladite cavité laser comprend un réflecteur, agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs et, en face avant de chaque amplificateur laser, un miroir présentant une réflexion partielle dans la bande spectrale d'émission. Le dispositif comprend par ailleurs des moyens de 5 combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. Par convention dans la présente description, la face (ou facette) avant d'un amplificateur laser correspond à la face d'émission du faisceau laser utile, destiné à être combiné à l'ensemble des faisceaux lasers émis par les amplificateurs lasers et la face (ou facette) arrière correspond à la face (ou facette) opposée à la face (ou facette) avant.

10 La cavité assurant une mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs laser comprend une géométrie et/ou des éléments optiques permettant de conduire à des pertes minimales lorsque les N amplificateurs laser fonctionnent de manière cohérente, privilégiant ainsi le fonctionnement en phase des émetteurs laser. Cependant, dans le dispositif selon la présente description, les pertes introduites dans la cavité laser agencée en face arrière des 15 amplificateurs laser ne limitent pas l'efficacité de l'extraction laser sur la face avant. On optimise ainsi l'efficacité électro-optique de l'émission laser. La cavité pour la mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs laser peut être selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une cavité interférométrique ou une cavité auto-imageante.

20 Selon une variante, les cavités pour la mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs laser sont réalisées en espace libre. Selon une variante, les cavités pour la mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs laser sont réalisées en optique intégrée. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les amplificateurs laser sont des 25 amplificateurs à semi-conducteur adaptés pour former des diodes laser, et peuvent être agencés dans la cavité laser soit sous forme d'émetteurs laser individuels, soit sous forme d'une barrette. Le dispositif décrit dans la présente description est particulièrement intéressant pour les amplificateurs à semi-conducteur dits « à profil évasé » (présentant une section de guide 30 d'onde évasée), puisque pour ce type d'émetteur laser, la mise en oeuvre d'une cavité externe telle que décrite dans l'art antérieur n'est pas adaptée. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif d'émission laser comprend un nombre N d'amplificateurs laser supérieur ou égal à 2, avantageusement supérieur ou égal à 3, nombre à partir duquel aucune méthode incohérente ne permet de superposer les faisceaux en maintenant leurs propriétés spatiales et spectrales. Le nombre N d'amplificateurs 3032562 4 laser dépend généralement de la puissance optique recherchée ; le nombre maximal d'amplificateurs laser est donné par des contraintes de mise en oeuvre technique et/ou d' encombrement. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, chaque amplificateur laser comprend un 5 traitement antireflet en face arrière. Le traitement antireflet permet d'empêcher toute émission laser propre au sein de l'amplificateur, entre les facettes avant et arrière. La réflexion résiduelle dépend de la nature de l'amplificateur. La réflexion résiduelle est selon un exemple inférieure à 1% pour des amplificateurs à semi-conducteur destinés à former des diodes laser. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les moyens de combinaison cohérente en 10 face avant comprennent un ou plusieurs éléments optiques permettant des interférences constructives en champ lointain des faisceaux émis en face avant par lesdits amplificateurs laser. En fonction de la géométrie des faisceaux laser émis en face avant par lesdits amplificateurs laser, ces éléments optiques peuvent comprendre l'un et/ou l'autre des 15 éléments suivants pour la formation d'interférences en champ lointain : une optique de collimation en face de chaque amplificateur laser, une optique de focalisation, un élément optique diffractif permettant de réaliser, pour une relation de phase fixée entre les faisceaux émis en face avant par lesdits amplificateurs laser, une combinaison cohérente. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les moyens de combinaison cohérente 20 comprennent des éléments d'ajustement des phases relatives des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. Ces éléments d'ajustement peuvent comprendre une ou plusieurs lames inclinées ou des éléments de modification de la phase (modulateur spatial de lumière) ; Les éléments d'ajustement peuvent être contrôlés en fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant (rétroaction sur la 25 voie de combinaison). Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif d'émission laser comprend en outre des moyens de rétroaction optique et/ou optoélectronique sur la cavité laser permettant la mise en phase, afin de contrôler les dérives ou sauts de dérive des phases des faisceaux laser émis en face avant.

30 Selon une variante, des moyens de rétroaction optique comprennent un réflecteur commun à l'ensemble des faisceaux laser émis en face avant par les amplificateurs laser, le réflecteur présentant une réflexion partielle dans la bande spectrale d'émission, et permettant de former une cavité parasite en face avant. Selon une variante, des moyens de rétroaction optoélectroniques comprennent des 35 moyens de contrôle actif de la longueur optique de chacun des amplificateurs laser, en 3032562 5 fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant. Selon un deuxième aspect, la présente description concerne un procédé d'émission laser mis en oeuvre au moyen d'un dispositif selon le premier aspect.

5 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé d'émission laser comprend : - l'émission de faisceaux laser en face avant et en face arrière de N amplificateurs laser, lesdits amplificateurs étant adaptés pour l'émission laser dans une même bande spectrale d'émission; - la mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser au 10 moyen d'une cavité laser à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser, la cavité laser comprenant un réflecteur agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs et, en face avant de chaque amplificateur laser, un miroir à réflexion partielle dans la bande spectrale d' émission; 15 - la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant est obtenue par interférences en champ lointain. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser est obtenue au moyen d'une cavité 20 interférométrique ou d'une cavité basée sur un effet d'auto-imagerie. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant est obtenue au moyen d'un composant diffractif permettant la superposition desdits faisceaux pour une relation de phase fixe entre eux.

25 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé d'émission laser comprend en outre l'ajustement des phases relatives des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé d'émission laser comprend en outre un auto-ajustement optique des phases des faisceaux laser émis en face avant au moyen 30 d'une réflexion partielle desdits faisceaux, permettant de former une cavité externe secondaire en face avant. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé d'émission laser comprend en outre un contrôle actif des longueurs optiques des amplificateurs laser en fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant.

35 3032562 6 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : - Figures 1 A et 1B (déjà décrites), des schémas décrivant respectivement deux 5 dispositifs d'émission par combinaison cohérente selon l'art antérieur ; - Figure 2, un schéma illustrant le principe d'un dispositif d'émission laser par combinaison cohérente selon la présente description ; - Figures 3A et 3B, des exemples de barrettes d'amplificateurs laser adaptées pour la mise en oeuvre d'un dispositif d'émission par combinaison cohérente selon la présente 10 description ; - Figures 4A à 4E des schémas montrant des exemples de réalisation de cavités en espace libre en face arrière des amplificateurs laser pour la mise en phase des faisceaux émis par lesdits amplificateurs, dans un dispositif d'émission par combinaison cohérente selon la présente description ; 15 - Figures 5A, et 5B, des schémas montrant des exemples de mis en oeuvre de la combinaison cohérente des faisceaux laser émis en face avant des amplificateurs laser, dans un dispositif d'émission selon la présente description ; - Figure 6, un schéma illustrant une variante de mise en oeuvre de la combinaison cohérente des faisceaux laser émis en face avant des amplificateurs laser, dans un 20 dispositif d'émission selon la présente description ; - Figures 7A et 7B, des schémas illustrant deux exemples de dispositifs d'émission laser par combinaison cohérente selon la présente description, mettant en oeuvre des rétroactions respectivement optique et électrique, en face avant ; - Figure 8A, un exemple de dispositif d'émission laser par combinaison cohérente selon 25 la présente description, mis en oeuvre pour des validations expérimentales et figure 8B, des courbes montrant la puissance optique combinée et l'efficacité de la combinaison obtenues au moyen d'un dispositif tel que décrit sur la figure 8A.

3032562 7 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 2 décrit de façon schématique un exemple de dispositif d'émission laser 100 selon la présente description et les figures 3A et 3B montrent deux variantes d'agencement des amplificateurs laser au sein de la cavité laser.

5 Le dispositif d'émission laser 100 représenté sur la figure 2 comprend un ensemble de N amplificateurs laser (121, 122, 123, ...) avec un accès aux deux facettes, c'est-à-dire présentant des revêtements sur chacune des facettes (respectivement RAV et RAR) permettant une émission laser en face avant et en face arrière. Bien que dans la présente description, des validations expérimentales sont montrées 10 avec deux amplificateurs (voir figures 8A, 8B), le dispositif selon la présente description est adapté à la combinaison cohérente d'un plus grand nombre important d'émetteurs laser, supérieur ou égal à 3. En pratique, le nombre N d'amplificateurs laser susceptibles d'être combinées n'est pas limité par des considérations théoriques, mais il peut l'être pour des raisons d'encombrement mécanique et de complexité de mise en oeuvre.

15 Les amplificateurs laser sont avantageusement des amplificateurs à semi-conducteur pour la formation de diodes laser pompées électriquement. Alternativement, il peut s'agir d'amplificateurs solides pour lesquels le pompage pourra être un pompage optique. Sur la figure 2, le pompage des amplificateurs laser n'est pas représenté. Dans tous les cas, les amplificateurs laser présentent des caractéristiques géométriques et physiques permettant 20 d'obtenir une émission laser dans une bande spectrale d'émission commune à tous les amplificateurs laser. Ok ? Le dispositif d'émission laser 100 comprend par ailleurs une cavité laser 110 à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser et qui assure une mise en phase des faisceaux émis en face arrière par les amplificateurs laser ainsi que des moyens de 25 combinaison cohérente 150 des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant. Plus précisément, la cavité laser comprend un réflecteur 112, de réflexion Rext dans la bande spectrale d'émission, agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs, et en face avant de chaque amplificateur laser, un miroir présentant une réflexion partielle RAV dans la bande spectrale d'émission.

30 Le réflecteur 112 est par exemple un miroir, par exemple un miroir métallique ou diélectrique, ou un composant sélectif spectralement (réseau de diffraction ou réseau volumique de Bragg par exemple) et présente une réflexion avantageusement supérieure ou égale à 50%.

3032562 8 Le miroir en face avant peut être obtenu au moyen d'un traitement réfléchissant déposé sur chacune des facettes avant des amplificateurs, et noté respectivement 131, 132, 33, etc. sur la figure 2. L'émission laser pourra donc se produire entre le réflecteur commun 112 et chacune des facettes avant 131, 132, 33, etc. des amplificateurs.

5 La cavité laser 112 est appelée « cavité externe » par opposition à une cavité laser « interne » qui pourrait se situer entre les facettes des amplificateurs. Pour empêcher toute émission laser au sein d'une telle cavité interne, les facettes arrière des amplificateurs (141, 142, 143, etc.) sont revêtues d'un traitement antireflet dans la bande spectrale d'émission. La réflexion résiduelle RAR dans la bande d'émission dépend de la nature de l'amplificateur laser.

10 Par exemple, pour des amplificateurs à semi-conducteur destinés à former des diodes laser, le traitement antireflet des facettes arrière pourra être choisi de telle sorte à avoir une réflexion résiduelle sur les facettes arrière inférieure à 1%. Dans l'exemple de la figure 2, les N amplificateurs laser forment N émetteurs individuels. L'utilisation d'amplificateurs laser destinés à former des émetteurs individuels 15 présente l'avantage d'une plus grande flexibilité dans la mise en oeuvre de la cavité externe, conduit à une bonne gestion thermique des émetteurs ce qui permet d'assurer une puissance maximale par émetteur. Les figures 3A et 3B montrent des amplificateurs agencés sous forme d'une barrette, par exemple une barrette de diodes laser, les N amplificateurs laser étant distants d'un pas p.

20 L'architecture basée sur l'utilisation d'une barrette permet une bonne compacité et une bonne stabilité mécanique. Le revêtement réfléchissant en face avant dans le cas d'une barrette peut se faire avantageusement (bien que non nécessairement) sur toute la face avant de la barrette pour former un miroir unique 130 présentant une réflexion RAV dans la bande spectrale d'émission.

25 De la même manière, le revêtement antireflet en face arrière peut se faire sur toute la face arrière de la barrette pour former un élément antireflet 140 présentant une réflexion résiduelle RAR dans la bande spectrale d'émission. Sur la figure 3B, il s'agit de diodes laser dites à « profil évasé », c'est-à-dire présentant une section de guide d'onde évasée.

30 La cavité laser 112 est conçue par sa géométrie et/ou au moyen de composants optiques 114, de telle sorte à conduire à des pertes minimales lorsque les N amplificateurs laser fonctionnent collégialement et de manière cohérente. En d'autres termes, les interférences constructives entre les faisceaux dans la cavité privilégient un mode de fonctionnement des amplificateurs laser ayant une relation de phase fixe entre eux. En choisissant des 35 amplificateurs laser présentant des gains élevés, typiquement supérieurs à 10 comme c'est le 3032562 9 cas par exemple pour des amplificateurs laser destinés à former des diodes laser, l'ajout dans la cavité laser de composants optiques introduisant des pertes Te',te, même relativement importantes, n'empêche pas l'émission laser, dont le seuil reste bas. Il suffit pour cela que le coefficient de réflexion effectif de la cavité externe Reff reste typiquement supérieur à 20%, la 5 valeur limite dépendant des composants choisis, du traitement de la face arrière RAR et du nombre d'amplificateurs laser à mettre en phase. Ainsi, on peut exprimer le coefficient de réflexion effectif de la cavité externe Reff en fonction des pertes Te',te dans la cavité laser 110 et du coefficient de réflexion sur le réflecteur 112 par : 10 Toutefois, et cela constitue un avantage de la configuration proposée ici, les pertes introduites dans la cavité laser 112 ne limitent pas l'efficacité de l'extraction laser sur la face avant. Plusieurs configurations peuvent être envisagées pour la formation de la cavité laser assurant une mise en phase des faisceaux laser issus en faces arrière des amplificateurs laser.

15 Les figures 4A à 4E décrivent des exemples de cavités en espace libre. Plus précisément, les figures 4A et 4B illustrent des exemples de cavités dites « autoimageantes » et les figures 4C à 4E illustrent des exemples de cavités interférométriques. Le principe général d'une cavité auto-imageante est de réfléchir, après un aller-retour dans la cavité externe, le faisceau issu de l'ensemble des N émetteurs sur lui-même lorsque 20 lesdits émetteurs sont liés par une certaine relation de phase qui dépend de la configuration de la cavité. Le faisceau réfléchi est constitué par la superposition des champs issus des N émetteurs, et la cavité externe conduit à privilégier ce fonctionnement qui maximise sa réflectivité équivalente. Ainsi par exemple, la figure 4A montre une cavité dite « cavité Talbot » basée sur 25 l'effet d'auto-imagerie par effet Talbot, décrit par exemple dans Leger et al. (« Coherent addition of A1GaAs lasers using microlenses and diffractive coupling", Applied Physics Letters vol. 52, n°21, p1771 (1988)). L'effet Talbot est un effet de diffraction en champ proche, par lequel un réseau d'émetteurs cohérents en phase donne lieu à la formation à distances régulières - multiples de ZT/2 - de pseudo-images en champ (c'est-à-dire en phase 30 et en amplitude) du réseau initial. Ces pseudo-images sont le résultat des interférences constructives locales entre les champs issus des N émetteurs. Dans l'exemple de la figure 4A, la cavité laser assurant une mise en phase des faisceaux laser issus en face arrière des amplificateurs laser comprend une lentille 113 de collimation dans la direction perpendiculaire à la figure (correspondant typiquement, dans le cas d'amplificateurs à semi- 35 conducteur formant des diodes laser, à la direction perpendiculaire à leur jonction) et un 3032562 10 réflecteur 112 réfléchissant dans la bande spectrale d'émission, positionné à une distance Lext = ZT/4 où ZT = 2Xp2/X est la « distance Talbot ». La réflexion du réflecteur 112 est avantageusement supérieure à 50%. Ainsi, selon l'orientation du réflecteur 112, l'auto-imagerie par effet Talbot tend à privilégier un fonctionnement en phase ou en opposition de 5 phase des N émetteurs. La figure 4B illustre une cavité dite « cavité self-Fourier », décrite par exemple dans Corcoran et Pasch (« Modal Analysis of a Self-Fourier Laser Cavity », J. Opt.A. Pure Applied Optics vol.

7 L1-L7 (2005)). La cavité self-Fourier est construite de sorte à ce que le profil d'intensité du faisceau en champ proche de l'ensemble des émetteurs (c'est-à-dire dans le plan 10 des facettes arrière des amplificateurs) soit identique à leur profil en champ lointain. Cette imagerie est vérifiée pour un nombre d'émetteurs N qui dépend de l'écart p entre eux, et de la dimension latérale du faisceau émis par chacun d'eux. L'optique 115 travaille dans une conjugaison de Fourier - qui conjugue le champ proche et le champ lointain de l'ensemble des émetteurs. Sa focale est environ égale à p2/X, et la longueur de la cavité externe est alors 15 p2/2X. De manière similaire à la cavité Talbot précédente, la configuration "self-Fourier" réalise une auto-imagerie du champ proche sur lui-même lorsque les émetteurs ont entre eux une certaine relation de phase; le fonctionnement co-phasé des émetteurs est privilégié, car il conduit à minimiser les pertes optiques subies par l'ensemble des émetteurs dans la cavité externe.

20 Les figures 4C et 4D décrivent des cavités avec combineur intra cavité, dans le cas respectivement où les amplificateurs forment des émetteurs individuels (figure 4C) et dans les cas où les amplificateurs laser sont arrangés sous forme d'une barrette (figure 4D). La figure 4E illustre une configuration utilisant plusieurs combineurs intra cavité en série, réalisant ainsi une cavité interférométrique multi-bras. Ces trois cavités sont, dans leur principe, 25 similaires : les pertes subies par les faisceaux lasers sur un aller-retour dans la cavité externe sont minimales lorsque les faisceaux interférent constructivement sur le combineur 116 (respectivement sur les lames séparatrices 171, 172, etc...). Au contraire, le fonctionnement incohérent des lasers, pour lequel la lumière se répartit équitablement à chaque passage sur les différentes voies du combineur ou de l'interféromètre, conduit à des pertes élevées. Ainsi, la 30 cavité privilégie le fonctionnement cohérent des lasers, avec une relation de phase constante imposée par l'élément combineur. De nombreux exemples de telles architectures sont décrits dans la littérature, on pourra par exemple se référer à Veldkamp et al. (« Coherent summation of lasers using binary phase gratings", Optics Letters vol. 11, n°5, p303 (1986)). Dans chacun des cas décrits en figures 4C et 4D, la cavité comprend un réseau de phase 35 en transmission 116 réalisant le composant combineur. Dans le cas des émetteurs individuels, 3032562 11 des optiques individuelles (161 - 165) assurent la collimation de chacun des faisceaux, et les faisceaux sont orientés pour éclairer le combineur sous un angle correspondant à l'un de ses ordres de diffraction. Dans le cas de l'utilisation d'une barrette 120 (figure 4D), ces mêmes fonctions sont assurées par une optique 115 travaillant en conjugaison de Fourier. La cavité 5 externe est fermée sur la face arrière par un miroir 112 commun. La figure 4E illustre un exemple de cavité interférométrique multi-bras. La cavité comprend un miroir 112 commun pour l'ensemble des faisceaux issus des faces arrière des amplificateurs laser et des éléments de réflexion partielle (171, 172, 173, etc.) permettant d'envoyer chacun de ces faisceaux vers le miroir 112 tout en laissant passer une partie au 10 moins des faisceaux issus des autres amplificateurs laser. Sur chacun des éléments de réflexion partielle 171, 172, ..., le faisceau issu de l'émetteur i le plus proche interfère constructivement avec le faisceau issu de la combinaison cohérente des (i-1) émetteurs situés en amont dans la direction définie par le miroir 112. Bien que les exemples illustrés au moyen des figures 4A à 4E montrent des cavités en 15 espace libre, les cavités pour la mise en phase des faisceaux émis par les amplificateurs laser peuvent aussi être réalisées en optique intégrée. La combinaison cohérente, en face avant des amplificateurs laser, exploite les interférences constructives entre les faisceaux laser réalisées au moyen de la cavité laser 110 formée en face arrière et dont des exemples de réalisation viennent d'être décrits.

20 Les figures 5A, 5B illustrent ainsi des exemples de réalisation d'éléments optiques adaptés pour la combinaison cohérente des faisceaux laser émis en face avant des amplificateurs laser. Dans l'exemple de la figure 5A, les moyens de combinaison cohérente comprennent un ensemble d'optiques de collimation (151, 152, 153, etc.) et une optique 180 de combinaison 25 de l'ensemble des faisceaux collimatés permettant la formation d'interférences en champ lointain par synthèse d'ouverture. Cette configuration est adaptée à un ensemble de faisceaux en phase et proches les uns des autres, de sorte à ce que l'ouverture synthétisée ait un fort taux de remplissage (typiquement supérieur à 60%) et qu'il n'y ait alors qu'un pic principal dans le profil angulaire en champ lointain.

30 Dans l'exemple de la figure 5B, les moyens de combinaison cohérente comprennent un composant diffractif 182 qui, pour une relation de phase fixée entre les émetteurs, réalise la superposition des faisceaux dans une seule direction derrière le combineur 181. L'efficacité de combinaison cohérente peut être mesurée par une grandeur r r définie à partir du rapport de la puissance (PcBc) dans la voie de combinaison et de la puissance totale 35 (Ptotale) extraite de l'ensemble des émetteurs: 3032562 12 Les déposants ont montré que l'arrangement original d'une cavité laser adapté à la mise en phase des faisceaux laser et situé en face arrière des amplificateurs, et de moyens de 5 combinaison cohérente agencés en face avant, minimise les pertes induites sur les faisceaux combinées et assure ainsi un rendement de conversion électrique-optique supérieur à celui qui serait obtenu dans une architecture de cavité externe traditionnelle, en face avant des amplificateurs laser. La figure 6 illustre une variante dans laquelle les phases relatives des émetteurs en face 10 avant sont ajustées séparément aux moyens d'éléments d'ajustement de la phase 191, 192, 193, etc... afin qu'ils se combinent de manière constructive vers la voie utile matérialisée par une flèche. Ainsi, la cavité 110 formée en face arrière permet d'obtenir une relation de phase fixe entre les faisceaux et les éléments 191, 192, 193, etc. permettent d'ajuster leur phase pour que leurs interférences soient constructives - que ce soit dans une architecture de 15 combinaison cohérente par synthèse d'ouverture (Figure 5A) ou sur un combineur interférométrique (Figure 5B). Chaque élément d'ajustement de la phase peut comprendre une lame, par exemple une lame transparente à faces planes et parallèles, dont l'orientation permet de définir le déphasage à introduire sur le faisceau d'émission. Selon une autre variante, les éléments de phase peuvent être formés par un modulateur spatial de lumière.

20 Les éléments d'ajustement peuvent être contrôlés en fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant (par exemple la puissance optique combinée ou la puissance optique sur une voie de perte), formant ainsi une rétroaction sur la voie de combinaison. Les déposants ont par ailleurs mis en évidence qu'un changement de point de 25 fonctionnement des amplificateurs lasers (c'est-à-dire un changement de courant ou de température, imposé par l'utilisateur ou induit par une perturbation) pouvait induire un décalage de la longueur d'onde d'émission et donc une modification de la relation de phase entre les émetteurs, selon la formule : leurs phases en face avant, X, la = - 30 avec tc,90 les phases des émetteurs en face arrière, longueur d'onde d'émission, les longueurs optiques des amplificateurs laser. Les figures 7A et 7B montrent respectivement deux exemples de dispositif selon la présente description, comprenant en outre des moyens de rétroaction sur la cavité externe 110 35 pour pallier les dérives de ladite cavité. Les moyens de rétroaction présentés sur les figures 3032562 13 7A et 7B sont respectivement des moyens de rétroaction optique et optoélectronique et peuvent être mis en oeuvre séparément ou simultanément. La figure 7A présente un premier exemple dans lequel la rétroaction est optique. Le dispositif d'émission comprend un élément réflecteur 210 présentant une réflexion Rout de 5 faible amplitude (inférieur à 10%) sur la voie de combinaison. Ce réflecteur permet de créer une cavité externe parasite en face avant qui privilégie le fonctionnement des émetteurs dans une relation de phase optimisant la combinaison cohérente. Cette faible réflexion (typiquement quelques %) ne suffit pas à elle seule à imposer un fonctionnement cohérent des émetteurs; mais si celui-ci est obtenu grâce à la cavité externe en face arrière, elle permet de 10 forcer un point de fonctionnement qui maximise l'efficacité de la combinaison cohérente. La figure 7B présente un deuxième exemple dans lequel la rétroaction est optoélectronique et se fait sur les longueurs optiques des amplificateurs laser. Le dispositif d'émission comprend un détecteur placé sur la voie de combinaison et adapté pour évaluer la puissance combinée ou tout paramètre caractéristique de l'efficacité de la combinaison. Une 15 boucle de rétroaction est mise en oeuvre au moyen d'une unité de commande 222 permettant de faire varier les courants d'injection par exemple, avec de faibles variations par rapport à leurs valeurs nominales, grâce à la dépendance de la longueur optique des composants avec le courant d'alimentation. Le contrôle actif seul ne suffit pas ici à obtenir le fonctionnement cohérent des émetteurs, mais il sélectionne une configuration des phases en face avant adaptée 20 à la superposition efficace des émetteurs. Les figures 8A et 8B montrent des premiers résultats expérimentaux obtenus avec un montage simplifié dans lequel deux amplificateurs laser à semi-conducteur sont utilisés. Ces premiers résultats permettent de valider les effets attendus avec le dispositif d'émission par combinaison cohérente décrit dans la présente demande.

25 Le dispositif 200 mis en oeuvre pour les validations expérimentales et représenté sur la figure 8A comprend deux amplificateurs laser à semi-conducteur 121, 122 pompés électriquement pour former deux diodes lasers. Chaque diode laser fonctionne au voisinage de la longueur d'onde de 950 nm et peut émettre une puissance < 200 mW dans un faisceau monomode transverse. Les amplificateurs laser 121, 122 présentent un traitement spécifique 30 sur leurs facettes : la face arrière est traitée antireflet (R < 0,1 %) et la face avant a un traitement de faible réflectivité (R = 3 %). De chaque côté des amplificateurs laser, les faisceaux émis sont collimatés par des lentilles asphériques (151, 161 et 152, 162 pour les amplificateurs laser 121, 122 respectivement). Une cavité laser 110 est réalisée en face arrière et comprend une lame séparatrice 171 (50/50) formant deux voies L et P, et un miroir 35 réfléchissant 112 dans la gamme spectrale de travail. La cavité laser 110 est une cavité de type 3032562 14 interférométrique. Si les deux faisceaux interfèrent constructivement sur la lame séparatrice dans la direction du miroir de cavité (voie P), les pertes de la cavité externe sont minimales; le fonctionnement incohérent des lasers, pour lequel la lumière se répartit équitablement à chaque passage sur les voies L et P de la lame séparatrice 171, conduisent au contraire à des 5 pertes élevées. Ainsi, la cavité externe privilégie le fonctionnement cohérent des deux lasers, avec une relation de phase constante sur la lame séparatrice. Sur la face avant, la superposition cohérente des deux faisceaux laser est réalisée là-encore avec une simple lame séparatrice 202 formant deux voies L' et P', respectivement les voies de perte et voie utile; une lame de verre 191 placée sur l'un des faisceaux permet 10 d'ajuster la relation de phase entre les deux faisceaux pour qu'ils se combinent de manière constructive vers la voie utile P'. La figure 8B montre la mesure expérimentale de la puissance optique combinée 83 en fonction du courant d'injection sur chaque diode laser combinée, le courant d'injection étant identique sur les deux diodes laser. Cette mesure est comparée à la puissance maximale 82 15 extraite des deux émetteurs lasers en fonctionnement incohérent. La courbe 81 illustre l'efficacité de combinaison. On observe au moyen de ce dispositif expérimental une efficacité de combinaison proche de 95%, tandis que l'efficacité de combinaison de peut dépasser 70% avec les architectures de l'art antérieur dont un exemple est illustré sur la figure 1B. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, les 20 procédés et dispositifs d'émission laser selon la présente description comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'émission laser (100) comprenant : - un ensemble de N amplificateurs laser (121, 122, 123, ...) adaptés pour l'émission d'un faisceau laser dans une même bande spectrale d'émission, en face avant et en face arrière; - une cavité laser (110) à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser, ladite cavité permettant d'assurer une mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser, et comprenant : o un réflecteur (112), agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs; o en face avant de chaque amplificateur laser, un miroir (130, 131, 132, 133, ...) présentant une réflexion partielle dans la bande spectrale d'émission; - des moyens de combinaison cohérente (150) des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant.
2. 2. Dispositif d'émission laser selon la revendication 1, dans lequel chaque amplificateur laser comprend un traitement antireflet (140, 141, 142, 143, ...) en face arrière.
3. 3. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité laser adaptée à la mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser est une cavité interférométrique ou une cavité basée sur un effet d'auto-imagerie.
4. 4. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de combinaison cohérente comprennent un élément optique diffractif permettant de réaliser, pour une relation de phase fixée entre les faisceaux émis en face avant par lesdits amplificateurs laser, la combinaison cohérente.
5. 5. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de combinaison cohérente comprennent un élément d'ajustement des phases relatives des faisceaux émis par les amplificateurs laser. 3032562 16
6. 6. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un réflecteur commun à l'ensemble des faisceaux émis en face avant par les amplificateurs laser, présentant une réflexion partielle dans la bande spectrale d'émission, et permettant de former une cavité externe secondaire en face avant. 5
7. 7. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de contrôle actif de la longueur optique de chacun des amplificateurs laser, en fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant.
8. 8. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, dans lequel les amplificateurs laser sont des amplificateurs à semi-conducteur présentant une section de guide d'onde évasée.
9. 9. Procédé d'émission laser comprenant : - l'émission de faisceaux laser en face avant et en face arrière de N amplificateurs laser, lesdits amplificateurs étant adaptés pour l'émission laser dans une même bande 15 spectrale d'émission; - la mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser au moyen d'une cavité laser à l'intérieur de laquelle sont agencés les N amplificateurs laser, la cavité laser comprenant un réflecteur agencé du côté de la face arrière des amplificateurs laser et commun à l'ensemble des amplificateurs et, en face avant de 20 chaque amplificateur laser, un miroir à réflexion partielle dans la bande spectrale d' émission; - la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant.
10. 10. Procédé d'émission laser selon la revendication 9, dans lequel la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant est obtenue par 25 interférences en champ lointain.
11. 11. Procédé d'émission laser selon la revendication 9, dans lequel la combinaison cohérente des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant est obtenue au moyen d'un composant diffractif permettant la superposition desdits faisceaux pour une relation de phase fixe entre eux. 3032562 17
12. 12. Procédé d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant en outre l'ajustement des phases relatives des faisceaux émis par les amplificateurs laser en face avant.
13. 13. Procédé d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, 5 comprenant en outre un auto-ajustement optique des phases des faisceaux laser émis en face avant au moyen d'une réflexion partielle desdits faisceaux, permettant de former une cavité externe secondaire en face avant.
14. 14. Procédé d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, comprenant en outre un contrôle actif des longueurs optiques des amplificateurs laser en 10 fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant.
15. 15. Procédé d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel la mise en phase des faisceaux émis en face arrière par lesdits amplificateurs laser est obtenue au moyen d'une cavité interférométrique ou d'une cavité basée sur un 15 effet d'auto-imagerie.