Cavités auto-organisables pour l'amélioration de la luminance des diodes laser de puissance

Use of self-organized cavities for brightness improvement of broad area laser diodes

• Auteur / Autrice : Vincent Reboud
• Direction : Gérald Roosen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Boucher

Mots clés

Mots clés libres

Effet photoréactif

Semiconducteur

Laser monomode

Optique non-linéaire

Filtrage spectral

Filtrage spatial

Mélange d'ondes

Résumé

Les diodes laser de type ruban large sont des sources compactes de fortes puissances ayant beaucoup d'attraits. Elles émettent cependant des faisceaux multimodes dans le plan parallèle à la jonction de la diode ce qui, en dépit de leur puissance, limite leur luminance et donc leurs applications. Pour améliorer cette luminance, nous avons conçu une cavité auto-organisable composée d'une diode laser à ruban large placée en cavité étendue contenant un cristal photoréfractif. Un modèle de résolution des équations de propagation dans un milieu semi-conducteur et dans la cavité étendue a été appliqué à une configuration de cavité anamorphique. Ce modèle a permis de déterminer les caractéristiques optimales de la cavité étendue en tenant compte des effets de saturation du gain et de diffusion des porteurs de charges dans la zone active de la diode laser. Par ailleurs, il a été démontré que la fenêtre d'émission de la diode laser peut servir de filtre spatial et ainsi permettre d'améliorer la discrimination entre les modes latéraux. Le filtrage des modes par le cristal dans une cavité anamorphique et l'accroissement de la plage de fonctionnement monomode de la source laser résultant ont été par la suite modélisés. Il a été vérifié expérimentalement que l'insertion d'un cristal photoréfractif améliore la plage de fonctionnement monomode longitidinale et latérale d'une diode laser à ruban large placée en cavité étendue. Les résultats du modèle ont été par ailleurs confirmés par nos résultats expérimentaux, qui démontrent la présence d'auto-organisation sur les modes de la cavité, ce qui n'avait jusqu'à présent, jamais été mis en évidence.

Broad area laser diodes are compact sources with strong powers. In spite of attractive characteristics, their emitted beams are multimode in the parallel plane of the diode junction. This limits the brigthness of theses sources and thus, their applications. To improve their brightness, we studied a self-organizing cavity composed by a broad area laser diode placed in an extended cavity containing a photorefractive crystal. First, a resolution model of propagation equations in the semiconductor medium and in the cavity was applied to an anamorphic cavity configuration. This model, taking account gain saturation effects and charge carrier diffusion in the laser diode active zone, led to the determination of the optimal characteristics of the extended cavity. We showed that the laser diode emission window can be used as a spatial filter, which improves the discrimination between lateral modes. Then, the capacity of the hologram to filter anamorphic cavity modes and increase the monomode operating range was modelled. It was experimentally demonstrated that the insertion of photrefractive crystal improves the longitudinal and lateral monomode emission range of a broad area laser diode placed in an extended cavity. For the first time, the self-organization of cavities modes induced by the presence of a photorefractive crystal intra-cavity was observed. Finally, measurements confirmed the modelling results.