Coherent combining of high brightness laser diodes in external cavity
Combinaison cohérente de diodes laser de luminance élevée en cavité externe
Résumé
The constant and growing demand for compact and efficient laser sources leads to explore new architectures aiming at increasing the output powers of laser diodes. The most promising solution consists in utilizing several moderate-power identical lasers in parallel. It is then necessary to induce a constant phase relationship between the lasers to maintain the spatial beam quality. We present a theoretical and experimental study of the passive phase locking of an array of high-power diode lasers. We take benefit of the angular and spectral filtering properties of volume Bragg gratings in an external cavity. Two solutions have been considered: the first one uses the self-imaging Talbot effect and the second one consists in a selective angular filtering of the array emission. A theoretical model aiming at determining the modal behavior of those two cavities has been realized. Moreover, concerning the Talbot cavity, in collaboration with the University of Nottingham, a cavity model taking into account the internal properties of the diode lasers has also been used. Experimentally, several cavity setups adapted to different array geometries have been investigated. Each of them achieved a coherent emission. We show that the use of volume Bragg gratings inside the cavity improve both the coherence and the spectrum of the lasers. Finally, we present an original solution using phase filters to convert the multilobed beam from the laser cavity into a Gaussian beam profile.
La demande en constante progression de sources laser compactes et efficaces conduit à rechercher des architectures nouvelles pour accroître la puissance des diodes laser. La solution la plus prometteuse consiste à utiliser plusieurs lasers identiques de puissance modérée en parallèle. Pour conserver la qualité spatiale du faisceau, il est nécessaire d'induire une relation de phase constante entre les lasers. Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la mise en phase passive d'une barrette de diodes laser de puissance. Pour cela, nous exploitons les propriétés de filtrage angulaire et spectral des réseaux de Bragg volumiques dans une cavité externe. Deux solutions ont été étudiées : la première exploite l'effet d'auto-imagerie Talbot et la seconde effectue un filtrage sélectif des composantes angulaires de l'émission de la barrette. Un modèle théorique permettant de déterminer le comportement modal de chacune de ces cavités a été réalisé. Dans le cas de la cavité Talbot, en collaboration avec l'Université de Nottingham, la cavité a également été modélisée en prenant en compte les propriétés internes des diodes laser. Expérimentalement, plusieurs architectures adaptées à des géométries de barrettes différentes ont été étudiées, qui ont toutes donné lieu à une émission cohérente. Nous montrons que l'utilisation d'un réseau de Bragg volumique intra-cavité permet à la fois d'améliorer la cohérence entre les lasers et de stabiliser le spectre d'émission. Enfin, nous présentons une solution originale utilisant des filtres de phase permettant de convertir le faisceau cohérent multilobe provenant de la cavité laser en un faisceau de profil gaussien.