FR2787938A1 - Industrial stacked laser brightness increasing system having laser assembly output beams spatial slot filter focussed and collimator output beam coupling mirror passing. - Google Patents

Industrial stacked laser brightness increasing system having laser assembly output beams spatial slot filter focussed and collimator output beam coupling mirror passing. Download PDF

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Abstract

The laser brightness increasing system has an assembly of lasers (LSC1 to LSC4) transmitting in parallel directions. The output beams are focussed (L1) onto a spatial filter (FS) at a focal point (F). The spatial filter is a slot or diaphragm. the output beam is collimated (L2) and passed to a coupling mirror (MC).

Description

SYSTEME D'ACCROISSEMENT DE LA BRILLANCE D'UN ENSEMBLE DESYSTEM FOR INCREASING THE BRIGHTNESS OF A SET OF

LASERSLASERS

L'invention concerne un système permettant d'accroître la brillance d'un ensemble de lasers et notamment d'une barrette ou d'un  The invention relates to a system making it possible to increase the brightness of a set of lasers and in particular of a strip or of a

empilement de barrettes lasers.stack of laser strips.

Le contrôle de la divergence des lasers et réseaux de lasers semiconducteurs constitue un objectif de très grande importance pour les applications industrielles de ces sources. En effet, la puissance émise est extrêmement élevée (> lkW.cm'2), mais compte tenu de leur divergence dans le plan horizontal dû à un comportement multimode de la cavité laser  Controlling the divergence of lasers and semiconductor laser arrays is a very important objective for industrial applications of these sources. Indeed, the emitted power is extremely high (> lkW.cm'2), but taking into account their divergence in the horizontal plane due to a multimode behavior of the laser cavity

semiconductrice, la brillance de la source et du réseau de lasers est réduite.  semiconductor, the brightness of the laser source and network is reduced.

0 Il est connu dans la technique d'une réduction de la divergence d'une source élémentaire peut être obtenue par rétroinjection dans la source du faisceau émis et cela par une cavité externe réalisant un filtrage spatial des modes. L'objet de l'invention est de proposer un/ou plusieurs systèmes optiques adaptés à la réduction de divergence dans le plan horizontal non pas d'un laser élémentaire mais d'une barrette lasers et même d'un empilement 2D de barrettes lasers. L'idée de l'invention consiste à réaliser une cavité externe adaptée à un filtrage spatial collectif des modes transverses de chaque laser élémentaires. Il en résulte que l'on force chaque cavité élémentaire à osciller sur un mode unique, ce qui a pour effet de réduire la divergence dans le plan horizontal. On note que dans ce fonctionnement il n'y a pas de mise en phase des sources élémentaires. En effet, celles-ci restent incohérentes entre elles, avec une réduction de la divergence angulaire d'un facteur 10 à 20 dans le plan parallèle à la jonction. En d'autres termes, on peut s'attendre dans ce plan à une largeur angulaire proche de la limite de diffraction soit 08 t avec D largeur du D  0 It is known in the art to reduce the divergence of an elementary source can be obtained by feedback into the source of the emitted beam and this by an external cavity performing spatial filtering of the modes. The object of the invention is to provide one / more optical systems suitable for reducing divergence in the horizontal plane not of an elementary laser but of a laser strip and even of a 2D stack of laser strips. The idea of the invention consists in making an external cavity suitable for collective spatial filtering of the transverse modes of each elementary laser. As a result, each elementary cavity is forced to oscillate in a single mode, which has the effect of reducing the divergence in the horizontal plane. It is noted that in this operation there is no phasing of the elementary sources. Indeed, these remain inconsistent with each other, with a reduction of the angular divergence by a factor of 10 to 20 in the plane parallel to the junction. In other words, we can expect in this plane an angular width close to the diffraction limit, ie 08 t with D width of D

ruban émissif.emissive tape.

L'invention concerne donc un système d'accroissement de la brillance d'un ensemble laser comprenant: - un ensemble de lasers émettant selon des directions parallèles; - un filtre spatial situé sur le trajet de chaque faisceau laser et transmettant des faisceaux lasers filtrés spatialement; - un miroir de couplage recevant et rétro- réfléchissant au moins  The invention therefore relates to a system for increasing the brightness of a laser assembly comprising: - a set of lasers emitting in parallel directions; - a spatial filter located on the path of each laser beam and transmitting spatially filtered laser beams; - a coupling mirror receiving and retro-reflecting at least

partiellement lesdits faisceaux filtrés.  partially said filtered beams.

Plus précisément, I'invention concerne un système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un dispositif de focalisation recevant les faisceaux émis par les lasers et transmettant des faisceaux focalisés; - un filtre spatial situé au point de focalisation du dispositif de focalisation; - un dispositif de collimation recevant les faisceaux émis par les lasers après focalisation et filtrage par le filtre et transmettant un faisceau collimaté; - un miroir de couplage formant miroir de cavité laser et commun à tous les lasers recevant les faisceaux transmis par le dispositif de collimation et les rétro-réfléchissant au moins  More specifically, the invention relates to a system for increasing the brightness of a set of lasers comprising: - a focusing device receiving the beams emitted by the lasers and transmitting focused beams; - a spatial filter located at the focal point of the focusing device; - a collimation device receiving the beams emitted by the lasers after focusing and filtering by the filter and transmitting a collimated beam; - a coupling mirror forming a laser cavity mirror and common to all the lasers receiving the beams transmitted by the collimating device and reflecting them at least

partiellement.partially.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront  The various objects and characteristics of the invention will appear

plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures  more clearly in the description which follows and in the figures

annexées qui représentent: la figure la, un exemple de réalisation de l'invention appliqué à une barrette lasers; o la figure lb, un exemple de réalisation de l'invention appliqué à un empilement de barrettes lasers; les figures 2a et 2b, une variante des figures 1 a et 1 b; les figures 3a et 3b, un autre exemple de réalisation de  attached which represent: Figure la, an embodiment of the invention applied to a laser strip; o Figure lb, an embodiment of the invention applied to a stack of laser strips; Figures 2a and 2b, a variant of Figures 1a and 1b; Figures 3a and 3b, another embodiment of

I'invention utilisant un réseau holographique.  The invention using a holographic network.

L'objet de l'invention est par exemple d'accroître la brillance d'un ensemble de lasers LSC1 à LSC4 réalisés sous forme d'une barrette laser  The object of the invention is for example to increase the brightness of a set of lasers LSC1 to LSC4 produced in the form of a laser strip

telle que représenté en figure 1.as shown in Figure 1.

Le système de la figure 1 permet un filtrage spatial collectif des modes transverses émis dans le plan de la barrette (O,,). Ce système comprend les éléments optiques suivants: - Un objectif Li L2 formant l'image de la barrette LSC1 à LSC4  The system of FIG. 1 allows a collective spatial filtering of the transverse modes emitted in the plane of the bar (O ,,). This system includes the following optical elements: - A Li L2 lens forming the image of the bar LSC1 to LSC4

lasers sur un miroir plan MC.lasers on a plane mirror MC.

- Le miroir de couplage MC de coefficients de réflexion et de  - The coupling mirror MC of reflection coefficients and

transmission R et T respectivement.R and T transmission respectively.

- Un dispositif de filtrage spatial FS constitué d'une fente dont la largeur détermine le diagramme de rayonnement dans le plan  - A spatial filtering device FS consisting of a slot whose width determines the radiation pattern in the plane

parallèle au plan de la jonction.parallel to the plane of the junction.

L'ensemble constitue une cavité multimode o chaque laser semiconducteur LSC1 à LSC4 voit une cavité externe de façon indépendante de la cavité vue par les lasers voisins. La rétroinjection dans la cavité et le filtrage spatial réduisent la divergence dans la direction 0,/ proche de la diffraction. La direction d'émission dans le plan vertical reste limitée par diffraction. La figure 1 b représente le système avec les plans des iO barrettes lasers perpendiculaires au plan de la figure. Dans ces conditions, la figure lb représente plusieurs barrettes lasers B1, B2, B3. La barrette B1, par exemple, correspond à la barrette de la figure la constituée des lasers LSC1 à LSC4. La figure lb applique l'invention à un empilement de barrettes lasers o le faisceau de sortie dans le plan perpendiculaire au plan des barrettes est rendu collimaté par un réseau de lentilles cylindriques LC1 (voir figure 1 b) dont le plan focal est situé au niveau du miroir de couplage MC. Pour réaliser la sélection de mode désirée, la largeur f de la fente de filtrage, pour obtenir la largeur angulaire 60,1, en sortie du miroir de couplage est donnée par la relation: F x X "F2 O avec f = 2F x D 2 /D étant la largeur totale du lobe de rayonnement d'un laser  The assembly constitutes a multimode cavity where each semiconductor laser LSC1 to LSC4 sees an external cavity independently of the cavity seen by the neighboring lasers. The feedback into the cavity and the spatial filtering reduce the divergence in the direction 0, / close to the diffraction. The direction of emission in the vertical plane remains limited by diffraction. FIG. 1 b represents the system with the planes of the 10 laser arrays perpendicular to the plane of the figure. Under these conditions, FIG. 1b represents several laser bars B1, B2, B3. The bar B1, for example, corresponds to the bar of the figure made up of lasers LSC1 to LSC4. FIG. 1b applies the invention to a stack of laser arrays where the output beam in the plane perpendicular to the plane of the arrays is made collimated by a network of cylindrical lenses LC1 (see FIG. 1 b) whose focal plane is located at the level of the MC coupling mirror. To make the desired mode selection, the width f of the filtering slot, to obtain the angular width 60.1, at the output of the coupling mirror is given by the relation: F x X "F2 O with f = 2F x D 2 / D being the total width of the radiation lobe of a laser

élémentaire qui serait limité par diffraction.  elementary which would be limited by diffraction.

Par exemple, on peut envisager la réalisation suivante: x = 0,8 pm D = 100 pm F1 = 50 mm f = 800pm 60, < 1 La figure 2a représente un système dans lequel un réseau de lentilles cylindriques LC2 assure la collimation du faisceau dans la direction 0_ c'est-à-dire que l'axe de chaque lentille est parallèle à une barrette. Dans ces conditions, on réalise en sortie du miroir de couplage MC une source dont la divergence est réduite par rétroinjection et filtrage spatial dans la  For example, one can envisage the following realization: x = 0.8 pm D = 100 pm F1 = 50 mm f = 800pm 60, <1 FIG. 2a represents a system in which a network of cylindrical lenses LC2 ensures the collimation of the beam in the direction 0_, that is to say that the axis of each lens is parallel to a strip. Under these conditions, a source is produced at the output of the coupling mirror MC, the divergence of which is reduced by feedback and spatial filtering in the

plan focal de la lentille LI.focal plane of the LI lens.

La formation de l'image de la source dans le plan du miroir de couplage MC peut être réalisée à l'aide d'un autre réseau de lentilles cylindriques LC3 (figure 2b) dont les axes sont également parallèles aux  The image of the source in the plane of the coupling mirror MC can be formed using another network of cylindrical lenses LC3 (FIG. 2b) whose axes are also parallel to the

2787-9382787-938

plans des barrettes. Dans ce cas l'émission d'un faisceau collimaté à divergence réduite nécessite encore un autre réseau de lentilles cylindriques LC4. L'émission dans le plan parallèle à la jonction est toujours  plans of the bars. In this case, the emission of a collimated beam with reduced divergence requires yet another network of LC4 cylindrical lenses. The emission in the plane parallel to the junction is always

celle représentée par la figure l a.  that shown in Figure l a.

Les figures 3a et 3b représentent un mode de réalisation plus compact du système de l'invention. Cette configuration met en oeuvre un filtrage spatial par un réseau holographique de volume RH. Le fonctionnement de cette cavité externe peut être décrit comme suit: Le faisceau émis par l'empilement de lasers est collimaté dans la direction 0_ (figure 3b). Dans le plan 0/ (figure 3a), le faisceau intercepte le réseau holographique RH de volume dont les strates sont perpendiculaires à la direction d'émission 0/. Le réseau dans ces conditions agit comme un filtre spatial compte tenu de sa sélectivité de Bragg. Un miroir de couplage MC placé normal à la direction de diffraction du réseau ferme la cavité externe. On note que dans ce système le même réseau RH réalise sans autre composant optique le filtre spatial de tous les faisceaux émis par l'empilement de lasers. La largeur angulaire 680 est ajustée par la sélectivité A  Figures 3a and 3b show a more compact embodiment of the system of the invention. This configuration implements a spatial filtering by a holographic network of volume RH. The operation of this external cavity can be described as follows: The beam emitted by the stack of lasers is collimated in the direction 0_ (Figure 3b). In the plane 0 / (FIG. 3a), the beam intercepts the holographic network RH of volume whose strata are perpendicular to the direction of emission 0 /. The network under these conditions acts as a spatial filter taking into account its Bragg selectivity. An MC coupling mirror placed normal to the direction of grating diffraction closes the external cavity. It is noted that in this system the same HR network realizes without other optical component the spatial filter of all the beams emitted by the stack of lasers. The angular width 680 is adjusted by the selectivity A

Bragg du réseau holographique RH c'est-à-dire 60,, n-  Bragg of the holographic network RH that is to say 60 ,, n-

e e épaisseur du réseau RH A période spatiale. Ainsi on peut avoir l'application numérique suivante: 1 - A = 1 pm- e = 100 pm La structure des figures 3a et 3b est compacte (quelques centimètres d'épaisseur) et peut être réalisée sous une forme monobloc. Par comparaison, les configurations des figures 1la-lb, la-2b, la-2a ont un  th thickness of the RH network A spatial period. Thus we can have the following digital application: 1 - A = 1 pm- e = 100 pm The structure of Figures 3a and 3b is compact (a few centimeters thick) and can be produced in a single piece. By comparison, the configurations of FIGS. 1la-1b, la-2b, la-2a have a

encombrement de l'ordre de 20 à 40 cm.  footprint of the order of 20 to 40 cm.

- Le composant holographique de volume présente en outre l'avantage de réaliser également un filtrage spectral: une seule longueur d'onde diffracte dans les conditions de Bragg X = 2 A sin OB avec le maximum d'efficacité. Les autres longueurs d'ondes sont dispersées par le composant. Ce dispositif conduit donc à une amélioration à la fois de la qualité spatiale et spectrale du mode de chaque laser élémentaire de la  - The volume holographic component also has the advantage of also performing spectral filtering: a single diffracted wavelength under Bragg conditions X = 2 A sin OB with maximum efficiency. The other wavelengths are dispersed by the component. This device therefore leads to an improvement in both the spatial and spectral quality of the mode of each elementary laser of the

barrette ou de l'empilement.bar or stacking.

- Le réseau à haute efficacité (> 90 %) est réalisé par enregistrement holographique dans un matériau photopolymère  - The high efficiency network (> 90%) is produced by holographic recording in a photopolymer material

à variation d'indice photoinduite ayant l'épaisseur requise.  with photoinduced index variation having the required thickness.

On notera que pour obtenir un fonctionnement contrôlé des dispositifs présentés en cavité externe, il est souhaitable de déposer sur les lasers une couche anti-réfléchissante pour favoriser l'oscillation entre le  It will be noted that in order to obtain controlled operation of the devices presented in an external cavity, it is desirable to deposit on the lasers an anti-reflective layer to promote oscillation between the

miroir Rmax des lasers et le miroir de couplage MC.  Rmax mirror of the lasers and the MC coupling mirror.

Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un ensemble de lasers (LSC1 à LSC4) émettant selon des directions parallèles; - un filtre spatial situé sur le trajet de chaque faisceau laser et transmettant des faisceaux lasers filtrés spatialement; - un miroir de couplage recevant et rétro- réfléchissant au moins  1. System for increasing the brightness of a set of lasers comprising: - a set of lasers (LSC1 to LSC4) emitting in parallel directions; - a spatial filter located on the path of each laser beam and transmitting spatially filtered laser beams; - a coupling mirror receiving and retro-reflecting at least partiellement lesdits faisceaux filtrés.  partially said filtered beams. 2. Système d'accroissement de la brillance d'un ensemble de lasers comprenant: - un dispositif de focalisation (L1) recevant les faisceaux émis par les lasers et transmettant des faisceaux focalisés; - un filtre spatial (FS) situé au point de focalisation (F) du dispositif de focalisation; 1 5 - un dispositif de collimation (L2) recevant les faisceaux émis par les lasers après focalisation et filtrage par le filtre (FS) et transmettant un faisceau collimaté; - un miroir de couplage (MC) formant miroir de cavité laser et commun à tous les lasers recevant les faisceaux transmis par le dispositif de collimation et les rétro-réfléchissant au moins partiellement.  2. System for increasing the brightness of a set of lasers comprising: - a focusing device (L1) receiving the beams emitted by the lasers and transmitting focused beams; - a spatial filter (FS) located at the focal point (F) of the focusing device; 1 5 - a collimation device (L2) receiving the beams emitted by the lasers after focusing and filtering by the filter (FS) and transmitting a collimated beam; - a coupling mirror (MC) forming a laser cavity mirror and common to all the lasers receiving the beams transmitted by the collimating device and reflecting them at least partially. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre spatial comporte une fente ou un diaphragme dont l'ouverture définit le3. System according to claim 2, characterized in that the spatial filter comprises a slot or a diaphragm whose opening defines the filtrage spatial.spatial filtering. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que  4. System according to claim 3, characterized in that chaque barrette émet un faisceau spatial de forme rectangulaire.  each bar emits a space beam of rectangular shape. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les faces d'émission des différents lasers sont disposées selon un même plan et  5. System according to claim 4, characterized in that the emission faces of the various lasers are arranged in the same plane and que le miroir de couplage (MC) est parallèle à ce plan.  that the coupling mirror (MC) is parallel to this plane. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les différents lasers sont disposés dans un même plan formant ainsi une  6. System according to claim 5, characterized in that the different lasers are arranged in the same plane thus forming a barrette laser.laser strip. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il  7. System according to claim 6, characterized in that it comporte plusieurs barrettes lasers empilées.  has several stacked laser bars. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie du miroir de couplage (MC), une première matrice de  8. System according to claim 7, characterized in that it comprises at the output of the coupling mirror (MC), a first matrix of lentilles (MC1), chaque lentille collimatant un faisceau émis par un laser.  lenses (MC1), each lens collimating a beam emitted by a laser. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une lentille cylindrique (LC2) est associée à chaque barrette de lasers et  9. System according to claim 8, characterized in that a cylindrical lens (LC2) is associated with each array of lasers and collimate les faisceaux émis par les lasers.  collimates the beams emitted by the lasers. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un ensemble de lentilles cylindriques (LC3) situé entre le filtre spatial (FS) et le miroir (MC) image les faces d'émission des lasers sur le plan dudit miroir et o10 en ce qu'un autre ensemble de lentilles cylindriques (LC4) reçoit les  10. System according to claim 9, characterized in that a set of cylindrical lenses (LC3) located between the spatial filter (FS) and the mirror (MC) image the emission faces of the lasers on the plane of said mirror and o10 that another set of cylindrical lenses (LC4) receives the différents faisceaux par ledit miroir et collimate ces faisceaux.  different beams by said mirror and collimates these beams. 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau holographique (RH) recevant les faisceaux émis par lesdits lasers et retransmettant des faisceaux filtrés spatialement; le miroir de couplage (MC) recevant les faisceaux filtrés et les rétroréfléchissants au  11. System according to claim 1, characterized in that it comprises a holographic network (RH) receiving the beams emitted by said lasers and retransmitting beams spatially filtered; the coupling mirror (MC) receiving the filtered beams and the retro-reflective moins partiellement vers le réseau holographique et lesdits lasers.  less partially towards the holographic network and said lasers. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de lentilles cylindriques de collimation situées entre  12. System according to claim 11, characterized in that it comprises a set of cylindrical collimation lenses situated between les lasers et le réseau holographique.  lasers and the holographic network.
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