WO2016124757A1 - Procédés et dispositifs d'émission laser par combinaison cohérente - Google Patents

Procédés et dispositifs d'émission laser par combinaison cohérente Download PDF

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WO2016124757A1
WO2016124757A1 PCT/EP2016/052542 EP2016052542W WO2016124757A1 WO 2016124757 A1 WO2016124757 A1 WO 2016124757A1 EP 2016052542 W EP2016052542 W EP 2016052542W WO 2016124757 A1 WO2016124757 A1 WO 2016124757A1
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WO
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laser
amplifiers
cavity
front face
emission
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/052542
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English (en)
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Gaëlle LUCAS-LECLIN
Guillaume SCHIMMEL
Patrick Georges
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Université Paris-Sud
Institut D'optique Graduate School
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Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs), Université Paris-Sud, Institut D'optique Graduate School filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Publication of WO2016124757A1 publication Critical patent/WO2016124757A1/fr

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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1086—Beam splitting or combining systems operating by diffraction only
    • G02B27/1093—Beam splitting or combining systems operating by diffraction only for use with monochromatic radiation only, e.g. devices for splitting a single laser source

Definitions

  • TECHNICAL FIELD This description relates to methods and devices for laser emission by coherent combination and applies in particular to the coherent combination of laser beams emitted by semiconductor laser amplifiers.
  • the coherent combination of laser emitters is a very dynamic research subject, which has given rise to a large number of publications since the early 2000s.
  • the coherent combination consists in maintaining a constant phase relationship between a set of laser emitters , so that the beams are superimposed constructively; the laser power is increased and the spatial quality of the source is that of a single laser transmitter, which leads to an increase in luminance.
  • This technique makes it possible to exceed the limits of the individual laser emitters, since it makes it possible to parallelize the laser emitters while combining the beams without degrading the spatial properties of the emitters.
  • the coherent combination imposes a single emission wavelength, which ensures very good spectral qualities.
  • FIG. 1A An example of a coherently combining laser emission device based on a combination of MOPA laser amplifiers is depicted in FIG. 1A.
  • the device 10 comprises a laser source 12 which injects a pump beam in N amplifiers 15A, 15B, 15C, ... operating in parallel, by means of a collimating lens 13 and an optical separator 14.
  • the active control of the relative phases is carried out for example by means of a phase measurement device 16 coupled to a control unit 18 for controlling the injection currents in each of the laser amplifiers.
  • This active control of the relative phases however requires a powerful optimization algorithm, and a fast feedback on the injection currents, making the coherent combination of laser amplifiers in the MOPA configuration a very powerful but complex and expensive technique.
  • FIG. 1B An example of phasing of laser emitters by means of an external cavity is described in FIG. 1B.
  • the laser emission device 20 shown in FIG. 1B comprises a laser cavity 22 formed between a mirror 21 and a coupler 24 and, inside the cavity, a set of laser amplifiers 25A, 25B, 25C, .. arranged in this example in the form of a bar 23.
  • the laser cavity 22 is arranged to allow phasing of the beams emitted by the amplifiers.
  • it is known to use a laser cavity using the Talbot effect for phasing see US Patent 4813762
  • other cavity architectures are known, for example using a diffractive combiner and a holographic Bragg grating (see US Pat. No.
  • phased beams are then combined coherently by means of a combiner 26.
  • the phasing by means of an external cavity has a simpler implementation compared to a MOPA configuration because of the fact that in the passive phase of the laser amplifiers.
  • we observe at high power a degradation of coherence;
  • the efficiency of the extraction is limited by the coupler 24 of the laser cavity 22 which must necessarily reflect a large portion of the useful flux to obtain the laser emission in the cavity, typically of the order of 30%.
  • An object of the present description is to propose an original architecture for a laser emission device allowing the coherent combination of beams emitted by individual laser amplifiers or in a bar which combines the simplicity of a passive phasing and the electro efficiency. -optic MOPA configurations.
  • the present description relates to a laser emission device comprising a set of N laser amplifiers adapted for the emission of a laser beam in the same emission spectral band, on the front face and on the rear face.
  • the device further comprises a laser cavity inside which the N amplifiers are arranged. laser, said laser cavity for ensuring a phasing of the beams emitted on the rear face by said laser amplifiers.
  • Said laser cavity comprises a reflector, arranged on the side of the rear face of the laser amplifiers and common to all the amplifiers and, on the front face of each laser amplifier, a mirror having a partial reflection in the emission spectral band.
  • the device further comprises means for coherently combining the beams emitted by the laser amplifiers on the front face.
  • the face (or facet) before a laser amplifier corresponds to the emission face of the useful laser beam, intended to be combined with all the laser beams emitted by the laser amplifiers and the face (or facet) back is the face (or facet) opposite the face (or facet) before.
  • the cavity providing a phasing of the beams emitted by the laser amplifiers comprises a geometry and / or optical elements making it possible to lead to minimal losses when the N laser amplifiers operate in a coherent manner, thus favoring the phase operation of the laser emitters.
  • the losses introduced into the laser cavity arranged on the rear face of the laser amplifiers do not limit the efficiency of the laser extraction on the front face. This optimizes the electro-optical efficiency of the laser emission.
  • the cavity for phasing the beams emitted by the laser amplifiers can be according to one or more exemplary embodiments, an interferometric cavity or a self-imaging cavity.
  • the cavities for phasing the beams emitted by the laser amplifiers are made in free space.
  • the cavities for phasing the beams emitted by the laser amplifiers are made in integrated optics.
  • the laser amplifiers are semiconductor amplifiers adapted to form laser diodes, and may be arranged in the laser cavity either in the form of individual laser emitters or in the form of a strip.
  • the device described in the present description is particularly interesting for the so-called "flared profile" semiconductor amplifiers (having a flared waveguide section), since for this type of laser emitter, the implementation of FIG. an external cavity as described in the prior art is not suitable.
  • the laser emission device comprises a number N of laser amplifiers greater than or equal to 2, advantageously greater than or equal to 3, a number from which no incoherent method makes it possible to superimpose the beams while maintaining their spatial and spectral properties.
  • the number N of laser amplifiers generally depends on the desired optical power; the maximum number of laser amplifiers is given by constraints of technical implementation and / or congestion.
  • each laser amplifier comprises antireflection treatment on the rear face.
  • Anti-glare treatment prevents any clean laser emission within the amplifier, between the front and back facets.
  • the residual reflection depends on the nature of the amplifier. The residual reflection is according to an example less than 1% for semiconductor amplifiers intended to form laser diodes.
  • the means of coherent combination on the front face comprise one or more optical elements allowing constructive interference in the far field of the beams emitted on the front face by said laser amplifiers.
  • these optical elements may comprise one and / or the other of the following elements for the formation of far-field interference: a collimation optics opposite of each laser amplifier, focusing optics, a diffractive optical element making it possible to achieve, for a fixed phase relation between the beams emitted on the front face by said laser amplifiers, a coherent combination.
  • the coherent combination means comprise elements for adjusting the relative phases of the beams emitted by the laser amplifiers on the front face.
  • These adjustment elements may comprise one or more inclined blades or phase modification elements (spatial light modulator);
  • the adjustment elements can be controlled according to a parameter dependent on the optical power of the combined beams on the front panel (feedback on the combination channel).
  • the laser emission device further comprises optical and / or optoelectronic feedback means on the laser cavity for phasing, in order to control the drifts or drifting jumps of the phases of the laser beams. emitted on the front panel.
  • optical feedback means comprise a reflector common to all the laser beams emitted on the front face by the laser amplifiers, the reflector having a partial reflection in the emission spectral band, and making it possible to form a parasitic cavity in front face.
  • optoelectronic feedback means comprise active control means of the optical length of each of the laser amplifiers, as a function of a parameter dependent on the optical power of the combined beams on the front face.
  • the present description relates to a laser emission method implemented by means of a device according to the first aspect.
  • the laser emission method comprises: the emission of laser beams on the front face and on the rear face of N laser amplifiers, said amplifiers being adapted for laser emission in the same spectral band of program;
  • the phasing of the beams emitted on the rear face by said laser amplifiers by means of a laser cavity inside which the N laser amplifiers are arranged, the laser cavity comprising a reflector arranged on the back side of the laser amplifiers and common to all of the amplifiers and, on the front face of each laser amplifier, a partial reflection mirror in the emission spectral band;
  • the coherent combination of the beams emitted by the laser amplifiers on the front face is obtained by far-field interference.
  • the phasing of the beams emitted on the rear face by said laser amplifiers is obtained by means of an interferometric cavity or a cavity based on an autoimaging effect.
  • the coherent combination of the beams emitted by the laser amplifiers on the front face is obtained by means of a diffractive component allowing the superposition of said beams for a fixed phase relation between them.
  • the laser emission method further comprises adjusting the relative phases of the beams emitted by the laser amplifiers on the front face.
  • the laser emission method further comprises an optical self-adjustment of the phases of the laser beams emitted on the front face by means of a partial reflection of said beams, making it possible to form a secondary external cavity opposite before.
  • the laser emission method further comprises an active control of the optical lengths of the laser amplifiers as a function of a parameter dependent on the optical power of the combined beams on the front face.
  • FIGS. 1A and 1B (already described), diagrams respectively describing two coherent combination emission devices according to the prior art
  • FIG. 2 a diagram illustrating the principle of a coherent combination laser emission device according to the present description
  • FIGS. 3A and 3B examples of laser amplifier strips adapted for the implementation of a coherent combination transmission device according to the present description
  • FIG. 6 a diagram illustrating an implementation variant of the coherent combination of the laser beams emitted on the front face of the laser amplifiers, in a transmission device according to the present description
  • FIGS. 7A and 7B diagrams illustrating two examples of coherent combination laser emission devices according to the present description, implementing respectively optical and electrical feedbacks, on the front face;
  • FIG. 8A an example of a coherent combination laser emission device according to the present description, implemented for experimental validations
  • FIG. 8B curves showing the combined optical power and efficiency of the combination obtained by means of a device as described in FIG. 8A.
  • FIG. 2 schematically describes an example of a laser emission device 100 according to the present description and FIGS. 3A and 3B show two alternative arrangements of laser amplifiers within the laser cavity.
  • the laser emission device 100 shown in FIG. 2 comprises a set of N laser amplifiers (121, 122, 123, ...) with access to the two facets, that is to say having coatings on each of the facets (respectively R A v and R AR ) allowing laser emission on the front face and on the rear face.
  • the device according to the present description is suitable for the coherent combination of a larger number of laser emitters, greater or equal.
  • the number N of laser amplifiers that can be combined is not limited by theoretical considerations, but it can be for reasons of mechanical size and complexity of implementation.
  • Laser amplifiers are advantageously semiconductor amplifiers for the formation of electrically pumped laser diodes. Alternatively, they may be solid amplifiers for which the pumping may be optical pumping. In FIG. 2, the pumping of the laser amplifiers is not shown. In all cases, the laser amplifiers have geometric and physical characteristics making it possible to obtain a laser emission in an emission spectral band common to all the laser amplifiers. Okay ?
  • the laser emission device 100 furthermore comprises a laser cavity 110 inside which the N laser amplifiers are arranged and which provides a phasing of the beams emitted on the rear face by the laser amplifiers as well as coherent combination means. 150 beams emitted by the laser amplifiers on the front panel.
  • the laser cavity comprises a reflector 112, with reflection R EXT in the emission spectral band, arranged on the back side of the laser amplifiers and common to all the amplifiers, and on the front face of each laser amplifier. , a mirror having a partial reflection R AV in the emission spectral band.
  • the reflector 112 is for example a mirror, for example a metal or dielectric mirror, or a spectrally selective component (diffraction grating or Bragg volume network for example) and has a reflection advantageously greater than or equal to 50%.
  • the mirror on the front face can be obtained by means of a reflective treatment deposited on each of the facets before amplifiers, and noted respectively 131, 132, 33, etc.
  • the laser emission may therefore occur between the common reflector 112 and each of the front facets 131, 132, 33, and so on. amplifiers.
  • the laser cavity 112 is called an "external cavity” as opposed to an “internal” laser cavity that could be between the facets of the amplifiers.
  • the rear facets of the amplifiers (141, 142, 143, etc.) are coated with antireflection treatment in the emission spectral band.
  • the residual reflection R AR in the emission band depends on the nature of the laser amplifier. For example, for semiconductor amplifiers for forming laser diodes, the antireflection treatment of the back facets may be chosen such that residual rear facet reflection is less than 1%.
  • the N laser amplifiers form N individual emitters.
  • the use of laser amplifiers for forming individual emitters has the advantage of greater flexibility in the implementation of the external cavity, leads to a good thermal management of the emitters which ensures maximum power by issuer.
  • FIGS. 3A and 3B show amplifiers arranged in the form of a bar, for example a bar of laser diodes, the N laser amplifiers being separated by a pitch p.
  • the architecture based on the use of a bar allows good compactness and good mechanical stability.
  • the reflective coating on the front face in the case of a strip can be advantageously (although not necessarily) all over the front face of the strip to form a single mirror 130 having a reflection R AV in the emission spectral band.
  • the antireflection coating on the rear face can be done on the entire rear face of the strip to form an antireflection element 140 having a residual reflection R AR in the emission spectral band.
  • the laser cavity 112 is designed by its geometry and / or by means of optical components 114, so as to lead to minimal losses when the N laser amplifiers work collegially and consistently.
  • the constructive interferences between the beams in the cavity favor a mode of operation of the laser amplifiers having a fixed phase relation between them.
  • the effective reflection coefficient of the external cavity R e / f typically remains greater than 20%, the limit value depending on the selected components, the treatment of the rear face R AR and the number of laser amplifiers to be set. phase.
  • the effective reflection coefficient of the external cavity 3 ⁇ 4 as a function of the cavity losses T in the laser cavity 110 and the reflection coefficient on the reflector 112 by: ## EQU1 ##
  • Figures 4A-4E describe examples of cavities in free space.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate examples of so-called "self-imaging” cavities and FIGS. 4C to 4E illustrate examples of interferometric cavities.
  • the general principle of a self-imaging cavity is to reflect, after a round trip in the external cavity, the beam coming from all the N transmitters on itself when said transmitters are linked by a certain phase relationship which depends on the configuration of the cavity.
  • the reflected beam is constituted by the superposition of the fields from the N emitters, and the external cavity leads to privilege this operation which maximizes its equivalent reflectivity.
  • FIG. 4A shows a so-called "Talbot cavity” cavity based on the Talbot effect self-imaging effect, described for example in Léger et al. ("Coherent addition of AlGaAs lasers using microlenses and diffractive coupling", Applied Physics Letters, Vol 52, No. 21, p771 (1988).)
  • the Talbot effect is a near-field diffraction effect, whereby an array of coherent transmitters in phase gives rise to the formation at regular distances - multiples of Z T / 2 - of pseudo-field images (that is to say in phase and amplitude) of the initial network. result of the local constructive interferences between the fields coming from the N transmitters
  • FIG. 4A shows a so-called "Talbot cavity” cavity based on the Talbot effect self-imaging effect, described for example in Léger et al. (“Coherent addition of AlGaAs lasers using microlenses and diffractive coupling", Applied Physics Letters, Vol 52, No.
  • the reflection of the reflector 112 is advantageously greater than 50%.
  • Talbot self-imaging tends to favor a phase or phase-opposite operation of the N transmitters.
  • FIG. 4B illustrates a cavity called "self-Fourier cavity", described for example in
  • the self-Fourier cavity is constructed so that the intensity profile of the beam in the near field of all the emitters (that is to say in the plane of the rear facets of the amplifiers) is identical to their profile. in far field. This imaging is verified for a number of transmitters N which depends on the distance p between them, and the lateral dimension of the beam emitted by each of them.
  • the optics 115 works in a Fourier conjugation - which combines the near field and the far field of all the emitters.
  • the focal length is approximately equal to ⁇ 2 / ⁇ , and the length of the external cavity is then ⁇ 2 / 2 ⁇ .
  • the "self-Fourier" configuration achieves self-imaging of the near-field on itself when the emitters have a certain phase relationship between them; the co-phased operation of the emitters is preferred because it leads to minimizing the optical losses experienced by all the emitters in the external cavity.
  • FIGS. 4C and 4D describe cavities with an intra-cavity combiner, in the case respectively where the amplifiers form individual emitters (FIG. 4C) and in the cases where the laser amplifiers are arranged in the form of a bar (FIG. 4D).
  • FIG. 4E illustrates a configuration using several intra-cavity combiners in series, thus producing a multi-arm interferometric cavity. These three cavities are, in principle, similar: the losses incurred by the laser beams on a round trip in the external cavity are minimal when the beams interfere constructively on the combiner 116 (respectively on the separating plates 171, 172, etc.). ).
  • the incoherent operation of the lasers for which the light is distributed equitably with each passage on the different channels of the combiner or the interferometer, leads to high losses.
  • the cavity favors the coherent operation of the lasers, with a constant phase relationship imposed by the combiner element.
  • Veldkamp et al. Coherent summation of lasers using binary phase gratings, Optics Letters 11, 5, p303 (1986)).
  • the cavity comprises a transmission phase network 116 producing the combiner component.
  • individual optics (161 - 165) collimate each of the beams, and the beams are oriented to illuminate the combiner at an angle corresponding to one of its diffraction orders.
  • these same functions are provided by an optic 115 working in Fourier conjugation.
  • the external cavity is closed on the rear face by a mirror 112 common.
  • FIG. 4E illustrates an example of a multi-arm interferometric cavity.
  • the cavity comprises a common mirror 112 for all the beams coming from the rear faces of the laser amplifiers and partial reflection elements (171, 172, 173, etc.) making it possible to send each of these beams to the mirror 112 while passing at least part of the beams from other laser amplifiers.
  • the beam coming from the nearest transmitter i constructively interferes with the beam resulting from the coherent combination of the (i-1) emitters situated upstream in the direction defined by the mirror 112. .
  • FIGS. 4A to 4E show cavities in free space
  • the cavities for phasing the beams emitted by the laser amplifiers can also be made in integrated optics.
  • the coherent combination on the front face of the laser amplifiers, exploits the constructive interferences between the laser beams produced by means of the laser cavity 110 formed on the rear face and of which exemplary embodiments have just been described.
  • FIGS. 5A and 5B thus illustrate exemplary embodiments of optical elements adapted for the coherent combination of the laser beams emitted on the front face of the laser amplifiers.
  • the coherent combination means comprise a set of collimation optics (151, 152, 153, etc.) and an optics 180 for combining all the collimated beams allowing the formation of collimated beams. far-field interference by aperture synthesis.
  • This configuration is adapted to a set of beams in phase and close to each other, so that the synthesized opening has a high filling ratio (typically greater than 60%) and that there is then only a principal peak in the angular profile in far field.
  • the coherent combination means comprise a diffractive component 182 which, for a fixed phase relation between the emitters, superposes the beams in a single direction behind the combiner 181.
  • the coherent combination efficiency can be measured by a magnitude ⁇ ( . ⁇ defined from the ratio of the power (PCBC) in the combination channel and the total power (P total) extracted from all the emitters:
  • FIG. 6 illustrates a variant in which the relative phases of the front-panel transmitters are separately adjusted to the means of adjustment elements of the phase 191, 192, 193, etc. so that they constructively combine with the useful path materialized by an arrow.
  • the cavity 1 10 formed on the rear face makes it possible to obtain a fixed phase relation between the beams and the elements 191, 192, 193, etc. allow their phase to be adjusted so that their interferences are constructive - either in a coherent combination architecture by aperture synthesis ( Figure 5A) or on an interferometric combiner (Figure 5B).
  • Each phase adjustment element may comprise a blade, for example a transparent plate with flat and parallel faces, whose orientation makes it possible to define the phase shift to be introduced on the emission beam.
  • the phase elements may be formed by a spatial light modulator.
  • the adjustment elements can be controlled according to a parameter depending on the optical power of the combined beams on the front panel (for example the combined optical power or the optical power on a loss path), thus forming a feedback on the path combination.
  • FIGS. 7A and 7B respectively show two examples of device according to the present description, further comprising means of feedback on the external cavity 110 to overcome the drifts of said cavity.
  • the feedback means presented in FIGS. 7A and 7B are respectively optical and optoelectronic feedback means and can be implemented separately or simultaneously.
  • Fig. 7A shows a first example in which the feedback is optical.
  • the transmission device comprises a reflector element 210 having a reflection R out of low amplitude (less than 10%) on the combination channel.
  • This reflector makes it possible to create a parasitic external cavity on the front face which favors the operation of the emitters in a phase relationship that optimizes the coherent combination.
  • This low reflection typically a few%) is not enough on its own to impose a coherent operation of the transmitters; but if it is obtained thanks to the external cavity on the rear face, it makes it possible to force an operating point that maximizes the effectiveness of the coherent combination.
  • FIG. 7B shows a second example in which the feedback is optoelectronic and is done on the optical lengths of the laser amplifiers.
  • the transmitting device comprises a detector placed on the combination channel and adapted to evaluate the combined power or any characteristic parameter of the efficiency of the combination.
  • a feedback loop is implemented by means of a control unit 222 making it possible to vary the injection currents, for example, with small variations relative to their nominal values, thanks to the dependence of the optical length of the components. with the power supply.
  • the active control alone is not sufficient here to obtain the coherent operation of the emitters, but it selects a configuration of the phases on the front face adapted to the effective superimposition of the emitters.
  • FIGS. 8A and 8B show first experimental results obtained with a simplified assembly in which two semiconductor laser amplifiers are used. These first results make it possible to validate the expected effects with the coherent combination transmission device described in the present application.
  • the device 200 implemented for the experimental validations and represented in FIG. 8A comprises two semiconductor laser amplifiers 121, 122 electrically pumped to form two laser diodes.
  • Each laser diode operates in the vicinity of the wavelength of 950 nm and can emit a power ⁇ 200 mW in a beam transverse monomode.
  • the emitted beams are collimated by aspherical lenses (151, 161 and 152, 162 for the laser amplifiers 121, 122 respectively).
  • a laser cavity 110 is formed on the rear face and comprises a splitter plate 171 (50/50) forming two L and P lanes, and a reflecting mirror 112 in the working spectral range.
  • the laser cavity 110 is an interferometric type of cavity. If the two beams interfere constructively on the splitter plate in the direction of the cavity mirror (path P), the losses of the outer cavity are minimal; the incoherent operation of the lasers, for which the light is distributed equitably with each passage on the L and P channels of the separating plate 171, leads on the contrary to high losses.
  • the external cavity favors the coherent operation of the two lasers, with a constant phase relation on the separating plate.
  • the coherent superimposition of the two laser beams is achieved here again with a simple splitter plate 202 forming two lanes L 'and P', respectively the loss and useful channels; a glass plate 191 placed on one of the beams makes it possible to adjust the phase relationship between the two beams so that they constructively combine with the useful path P '.
  • FIG. 8B shows the experimental measurement of the combined optical power 83 as a function of the injection current on each combined laser diode, the injection current being identical on the two laser diodes. This measurement is compared with the maximum power 82 extracted from the two lasers in incoherent operation. Curve 81 illustrates the combination efficiency. It is observed by means of this experimental device a combination efficiency close to 95%, while the combination efficiency of can exceed 70% with the architectures of the prior art, an example of which is illustrated in FIG. 1B.
  • the laser emission methods and devices according to the present disclosure include various alternatives, modifications, and enhancements that will be apparent to those skilled in the art, being understood that these different variants, modifications and improvements are within the scope of the invention, as defined by the following claims.

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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

PROCÉDÉS ET DISPOSITIFS D'ÉMISSION LASER PAR COMBINAISON
COHÉRENTE
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 φι(ί), φ2(ί), . . . , ΦΝ( 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 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 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 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 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 œuvre du fait de la mise en phase passive des amplificateurs 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 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.
RESUME
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 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 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.
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 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.
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 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 d'onde évasée), puisque pour ce type d'émetteur laser, la mise en œuvre 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 laser dépend généralement de la puissance optique recherchée ; le nombre maximal d'amplificateurs laser est donné par des contraintes de mise en œuvre technique et/ou d'encombrement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, chaque amplificateur laser comprend un 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 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 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 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 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.
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 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.
Selon un deuxième aspect, la présente description concerne un procédé d'émission laser mis en œuvre au moyen d'un dispositif selon le premier aspect.
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 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;
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 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.
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 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.
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 1A et 1B (déjà décrites), des schémas décrivant respectivement deux 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 œuvre d'un dispositif d'émission par combinaison cohérente selon la présente 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 ;
Figures 5A, et 5B, des schémas montrant des exemples de mis en œuvre 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 œuvre de la combinaison cohérente des faisceaux laser émis en face avant des amplificateurs laser, dans un 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 œuvre des rétroactions respectivement optique et électrique, en face avant ;
Figure 8A, un exemple de dispositif d'émission laser par combinaison cohérente selon la présente description, mis en œuvre 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.
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.
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 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 œuvre.
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 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 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. 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%.
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.
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. 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 présente l'avantage d'une plus grande flexibilité dans la mise en œuvre 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. 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. 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.
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 amplificateurs laser présentant des gains élevés, typiquement supérieurs à 10 comme c'est le 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 TcaVité, 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 Re/f reste typiquement supérieur à 20%, la 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 ¾ en fonction des pertes T cavité dans la cavité laser 110 et du coefficient de réflexion sur le réflecteur 112 par : f f cavitèJ "ext
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.
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 « auto- imageantes » 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 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 l'effet d'auto-imagerie par effet Talbot, décrit par exemple dans Léger et al. (« Cohérent addition of AlGaAs lasers using microlenses and diffractive coupling", Applied Physics Letters vol. 52, n°21, pl771 (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 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 semiconducteur formant des diodes laser, à la direction perpendiculaire à leur jonction) et un réflecteur 112 réfléchissant dans la bande spectrale d'émission, positionné à une distance Lext = ZT/4 OÙ ZT = 2χρ2/λ 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 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 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 ρ2/λ, et la longueur de la cavité externe est alors ρ2/2λ. 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.
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, similaires : les pertes subies par les faisceaux lasers sur un aller-retour dans la cavité externe sont minimales lorsque les faisceaux interfèrent 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 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. (« Cohérent 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 en transmission 116 réalisant le composant combineur. Dans le cas des émetteurs individuels, 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 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 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 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.
Les figures 5 A, 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 5 A, les moyens de combinaison cohérente comprennent un ensemble d'optiques de collimation (151, 152, 153, etc.) et une optique 180 de combinaison 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. 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 η(.Β définie à partir du rapport de la puissance (PCBC) dans la voie de combinaison et de la puissance totale (P totale) extraite de l'ensemble des émetteurs:
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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 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 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 1 10 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 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.
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 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 : 2ττ avec {φη } les phases des émetteurs en face arrière, {<ρ' n] leurs phases en face avant, λ la longueur d'onde d'émission, |(nop tL) j 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 pour pallier les dérives de ladite cavité. Les moyens de rétroaction présentés sur les figures 7A et 7B sont respectivement des moyens de rétroaction optique et optoélectronique et peuvent être mis en œuvre séparément ou simultanément.
La figure 7 A présente un premier exemple dans lequel la rétroaction est optique. Le dispositif d'émission comprend un élément réflecteur 210 présentant une réflexion Rout de 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 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 boucle de rétroaction est mise en œuvre 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 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.
Le dispositif 200 mis en œuvre pour les validations expérimentales et représenté sur la figure 8 A 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 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 réfléchissant 112 dans la gamme spectrale de travail. La cavité laser 110 est une cavité de type 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 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 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 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 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

REVENDICATIONS
1. 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. 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. 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. 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. 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.
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.
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. Dispositif d'émission laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les amplificateurs laser sont des amplificateurs à semi-conducteur présentant une section de guide d'onde évasée.
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 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 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. 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 interférences en champ lointain.
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.
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. Procédé d'émission laser selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, 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. 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 fonction d'un paramètre dépendant de la puissance optique des faisceaux combinés en face avant.
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 effet d'auto-imagerie.
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