Combinaison cohérente de diodes laser de luminance élevée en cavité externe

« Plus puissant, plus efficace, plus brillant » : telle est la devise du laseriste. La course à la puissance laser a, en effet, depuis quelques années vu émerger des systèmes aux performances record. Trois technologies s’affrontent : les lasers à fibre, les lasers à disque mince (« thin disk » en anglais) et les diodes laser. Les lasers à fibres (50 kW par IPG Photonics) et les lasers à disque mince (16 kW par Trumpf) semblent avoir distancé les systèmes à diodes laser (4 kW par Trumpf) du point de vue de la puissance brute. Cependant, les diodes laser possèdent un avantage décisif : elles n’ont pas besoin d’être pompées par diode. Au-delà de l’évidence, la phrase précédente signifie que du fait de la conversion directe puissance électriquepuissance optique qui a lieu dans une diode laser, les lasers à fibre et les lasers à disque mince ne pourront jamais être meilleurs du point de vue du rendement à la prise. De plus, de par ses possibilités de production de masse et sa compacité inégalée, la diode laser possède l’avantage d’être facilement intégrable à moindre coût dans n’importe quel système. Le dernier obstacle à franchir qui conditionnerait la victoire finale pour les diodes laser réside dans l’obtention de faisceaux de puissances élevées en limite de diffraction.

L’augmentation de la puissance disponible dans un faisceau de bonne qualité spatiale est une problématique commune à tous les lasers. La solution la plus prometteuse aujourd’hui consiste à utiliser plusieurs lasers identiques en parallèle et d’induire une cohérence entre eux. Ainsi, on dépasse les limitations propres aux émetteurs individuels (échauffement, dommages optiques) en combinant plusieurs sources de puissances modérées.

Cette thèse s’est déroulée au Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, à Palaiseau, au sein de l’équipe Lasers Solides et Applications (ELSA). Le travail présenté dans ce manuscrit à été réalisé dans le cadre d’un projet intégré financé par la communauté européenne : le projet www.Brighter.eu [Brighter]. Il s’agit d’une collaboration impliquant 23 partenaires académiques et industriels du monde des lasers à semiconducteur et de leurs applications. L’objectif de ce projet est le développement de sources laser à semiconducteur de forte luminance. Pour cela, des acteurs du domaine de la fabrication des diodes laser, des simulations des milieux semiconducteurs ainsi que les « utilisateurs » de ces sources sont mobilisés. Les applications visées concernent trois objectifs : Contexte de l’étude
– la réalisation d’amplificateur pour les télécommunications optiques.
– le développement de sources lasers visibles soit directement soit par conversion de fréquences pour le domaine médical (diagnostics, thérapie photodynamique).
– la réalisation de sources laser visibles rouges, vertes et bleues compactes pour l’affichage (pico-projecteurs). Le Laboratoire Charles Fabry, quant à lui s’est fixé comme rôle d’étudier des solutions de cavités externes pour améliorer les propriétés spectrales et spatiales des diodes laser réalisées dans le cadre du projet. Pour cela, nous avons bénéficié de fortes interactions avec l’Alcatel-Thales III-V Lab, en particulier Michel Krakowski et Nicolas Michel, qui ont conçu et fait croître les diodes lasers avec lesquelles nous avons travaillé. De plus, une partie de nos modélisations a été réalisée en collaboration avec l’équipe du Professeur Eric Larkins de l’Université de Nottingham. Ce travail s’inscrit dans la continuité des travaux démarrés il y a plusieurs années lors d’un précédent projet (www.Bright.eu) et de la thèse de Sylvie Yiou.

De nombreuses diodes laser monomodes sont disponibles commercialement ; un rapide coup d’œil dans n’importe quel catalogue de fournisseur de matériel optique suffit pour s’en convaincre. Il s’agit, la plupart du temps, de diodes laser de surface émettrice 1×3 µm². La puissance en sortie de ces diodes laser est relativement peu élevée. En effet, les meilleurs composants disponibles dans le commerce délivrent des puissances de quelques centaines de milliwatts autour de 980 nm et 800 nm [Intense; JDSU]. Du fait de la faible largeur du guide d’onde, l’émission laser est monomode transverse dans les deux directions x et y. Ces diodes laser présentent donc des facteurs de qualité égaux à 1 dans les deux directions, ce qui correspond à des luminances de l’ordre de 20 MW.cm⁻².sr⁻¹ (pour une puissance de 200 mW).

Notons qu’il est possible de stabiliser la longueur d’onde d’émission de ces composants en inscrivant un réseau d’indice de type réseau de Bragg à l’intérieur du matériau semiconducteur. Deux technologies existent : les diodes laser DFB («Distributed FeedBack ») et les diodes laser DBR (« Distributed Bragg Reflector »). Ce type de diodes est généralement conçu pour des applications en spectroscopie où, non seulement il est nécessaire d’avoir un spectre stabilisé mais également une très faible largeur spectrale. Commercialement, Eagleyard et Sacher Lasertechnik, par exemple, proposent des diodes laser de ce type avec des puissances de l’ordre de 150 mW et des largeurs spectrales autour de 5 MHz à 980 nm [Eagleyard; Sacher]. On peut également mentionner les très bonnes performances obtenues à 894 nm à partir d’une diode DFB au Ferdinand Braun Institut für Höchstfrequenztechnick (FBH) avec une puissance de 250 mW et une largeur de raie de 360 kHz réalisant ainsi une source laser tout à fait adaptée à l’interrogation d’atomes de Césium [Klehr 07].

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I ÉTAT DE L’ART DES DIODES LASER DE FORTE LUMINANCE ET STABILISEES EN LONGUEUR D’ONDE
I.1 Éléments de caractérisation d’une source laser de puissance
I.1.a Champ proche
I.1.b Champ lointain
I.1.c Luminance
I.2 Amélioration de la luminance d’un monoémetteur
I.2.a Performances et limitations d’une diode monomode
I.2.b Performances et limitations d’une diode multimode
I.2.c Solutions monoémetteurs d’amélioration de la luminance
I.2.c.i Elargissement du mode laser dans la direction verticale
I.2.c.ii Elargissement du mode laser dans la direction horizontale
I.2.c.iii Synthèse des performances des solutions mono-émetteurs présentées
I.2.d Utilisation d’une cavité externe
I.2.d.i Filtrage spectral avec un réseau de diffraction
I.2.d.ii Utilisation d’un réseau de Bragg
I.3 Amélioration de la luminance d’une barrette de diodes laser
I.3.a Problématique de la luminance d’une barrette de diodes laser
I.3.b Techniques de couplage incohérent
I.3.b.i Mise en forme du faisceau
I.3.b.ii Combinaison spectrale
I.3.c Techniques de couplage cohérent
I.3.c.i Pourquoi vouloir une émission cohérente ?
I.3.c.ii Choix des critères de caractérisation du faisceau
I.3.c.iii Solutions monolithiques
I.3.c.iv Solutions mettant en œuvre une cavité externe
I.3.c.v Techniques de mise en phase active
I.3.d Synthèse sur l’amélioration de la luminance d’une barrette de diodes laser
I.4 Présentation des solutions étudiées pendant cette thèse
II ETUDE THEORIQUE DE LA MISE EN PHASE D’UNE BARRETTE DE DIODES LASER DANS UNE CAVITE EXTERNE
II.1 Modélisation d’un réseau de Bragg volumique
II.1.a Description d’un réseau de Bragg volumique
II.1.b Propriétés de diffraction d’un réseau de Bragg volumique
II.1.b.i Réseau de Bragg en réflexion (ϕ = 0)
II.1.b.ii Réseau de Bragg en transmission (ϕ = π/2)
II.1.b.iii Diffraction d’un réseau de Bragg pour un faisceau incident non collimaté
II.2 Modélisation d’une barrette de diodes monomodes dans une cavité externe
II.2.a Modes d’une barrette de diodes laser couplées
II.2.b Description du modèle
II.2.b.i Hypothèses de départ
II.2.b.ii Détermination des modes
II.2.c Cas d’une cavité Talbot
II.2.c.i Détermination de l’opérateur cavité externe
II.2.c.ii Détermination des modes de la cavité
II.2.c.iii Mise en évidence de l’effet Talbot
II.2.c.iv Discrimination modale
II.2.c.v Evaluation de la sensibilité aux réglages
II.2.c.vi Prise en compte du réseau de Bragg
II.2.d Cas du filtrage angulaire intra-cavité
II.2.d.i Détermination de l’opérateur cavité externe
II.2.d.ii Sélection des modes de la cavité
II.2.d.i Discrimination modale
II.2.d.ii Prise en compte du réseau de Bragg
II.2.e Comparaison cavité Talbot – filtrage angulaire intra-cavité
II.3 Prise en compte de l’amplification dans la barrette de diodes laser pour une cavité Talbot
II.3.a Description du modèle
II.3.a.i Module UNott
II.3.a.ii Module cavité externe
II.3.b Caractérisation des modes de la cavité
II.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE