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CBC

Combinaison cohérente de diodes laser de puissance

La combinaison cohérente de faisceaux laser consiste à les superposer de manière constructive en contrôlant leurs phases relatives, dans le but d'augmenter la puissance optique disponible dans un seul faisceau combiné : ainsi, la luminance de la source augmente. Dans le cas des diodes laser, cette architecture permet de dépasser les limites de puissance des émetteurs individuels monomodes transverses.

Plusieurs architectures sont possibles :

  • les émetteurs amplifient en parallèle le faisceau d'une même source
  • les émetteurs partagent une même cavité externe

Nous avons étudié ces deux architectures, avec des émetteurs individuels et en barrettes [5]. Nous nous intéressons particulièrement au potentiel des émetteurs à section évasée, qui délivrent la puissance optique la plus élevée dans un faisceau proche de la limite de diffraction.

Ce travail a donné lieu à de nombreuses collaborations internationales, en particulier le laboratoire Ferdinand Braun Institut de Berlin (Allemagne), qui développe de tels composants, et avec l'Université de Nottingham (Royaume-Uni) pour la modélisation des émetteurs.

Membres : Patrick Georges, Sylvie Janicot, Gaëlle Lucas-Leclin
Anciens membres : Philipp Albrodt, David Pabœuf, Guillaume Schimmel

Stage / Thèse

Nous proposons une thèse financée par le CNRS, au cours de laquelle nous étudierons la combinaison cohérente d'amplificateurs en régime impulsionnel pour le développement de lidars atmosphériques de nouvelle génération en partenariat avec le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement.

• Combinaison cohérente d'amplificateurs

Dans cette configuration, les amplificateurs sont injectés en parallèle par une même source, et la phase des faisceaux amplifiés est stabilisée activement. Cette architecture a été validée avec quatre éléments en parallèle, jusqu'à une puissance combinée de 17 W correspondant à une efficacité de combinaison globale de 71% [2]. L'amélioration de la qualité spatiale du faisceau combiné, qui découle du nettoyage du faisceau réalisé lors du processus de superposition cohérente, a été mise à profit dans une expérience de conversion non-linéaire dans le visible : l'efficacité de conversion a ainsi été très significativement augmentée [1]. Enfin, un module compact (32,5 x 22,5 cm2) a été conçu et validé, à partir d'amplificateurs commerciaux [5].

En régime quasi-continu, correspondant à des impulsions d'une durée de quelques millisecondes, une puissance de près de 23 W dans un faisceau proche de la limite de diffraction a été obtenue, et ce malgré l'évolution dynamique de la phase et du faisceau observée pendant les impulsions [2].

 Superposition cohérente de quatre amplificateurs individuels; le contrôle de la phase relative des émetteurs est assuré par l'intermédiaire du courant de section droite de chaque amplificateur, par un asservissent séquentiel de la puissance combinée.

• Combinaison cohérente en cavité étendue

La combinaison cohérente d'émetteurs en cavité consiste à forcer la cohérence et la mise en phase d'émetteurs indépendants dans une cavité laser commune. Celle-ci est conçue pour assurer un couplage entre les émetteurs, et ainsi favoriser leur fonctionnement collectif et cohérent sur un mode propre de la cavité. Par rapport à la combinaison d'amplificateurs, c'est une architecture auto-organisée, qui ne nécessite pas une source laser d'injection. Cependant, le fonctionnement cohérent d'une telle cavité est en général moins stable, et les puissances extraites sont limitées.

Nous avons étudié et mis en œuvre plusieurs géométries de cavité, pour exploiter différents processus de couplage (effet Talbot, filtrage spatial angulaire par un réseau de Bragg volumique, élément diffractif ...) [3,4]. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une barrette de cinq émetteurs à section évasée, dans une architecture de cavité dans laquelle la mise en phase des émetteurs est réalisée en face arrière, tandis que leur superposition cohérente est réalisée en face avant à l'aide d'un élément diffraction. Ainsi, une puissance maximale de 7,5 W a été obtenue [3].

Mise en phase d’une barrette de cinq émetteurs à section évasée ; la superposition des faisceaux en face avant et dans la cavité est réalisée par un réseau diffractif de phase (DOE)
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