Avec l'essor continu des applications laser de haute puissance, les barrettes de diodes laser sont devenues indispensables dans des domaines tels que le pompage laser, les procédés industriels, les équipements médicaux et la recherche scientifique. Grâce à leur excellente densité de puissance, leur modularité et leur rendement électro-optique élevé, ces dispositifs sont au cœur de nombreux systèmes laser modernes. Pourtant, parmi les nombreux indicateurs de performance d'une barrette de diodes laser, un paramètre est souvent négligé, bien qu'essentiel : l'angle de divergence. Cet article explore les caractéristiques, les origines physiques et les implications de l'angle de divergence dans les barrettes de diodes laser, et explique comment la conception optique permet de le maîtriser efficacement.
1. Qu'est-ce qu'un angle de divergence ?
L'angle de divergence décrit la façon dont un faisceau laser se propage dans l'espace libre. Il indique dans quelle mesure le faisceau s'élargit à partir de la face d'émission. Dans les barrettes de diodes laser, l'angle de divergence présente une forte asymétrie selon deux directions principales :
Axe rapide : perpendiculaire à la surface de la barre. La région d’émission est extrêmement étroite (généralement de 1 à 2 µm), ce qui entraîne de grands angles de divergence, souvent de 30° à 45° ou plus.
Axe lent : parallèle à la longueur de la barre. La région d’émission est beaucoup plus large (plusieurs centaines de microns), ce qui entraîne des angles de divergence plus petits, généralement de l’ordre de 5° à 15°.
Cette divergence asymétrique représente un défi majeur en matière de conception pour l'intégration de systèmes impliquant des barrettes de diodes laser.
2. L'origine physique de la divergence
L'angle de divergence est principalement déterminé par la structure du guide d'ondes et la taille de la facette d'émission :
Sur l'axe rapide, la zone d'émission est extrêmement réduite. D'après la théorie de la diffraction, plus l'ouverture est petite, plus la divergence est grande.
Dans l'axe lent, le faisceau s'étend sur toute la longueur de la barre à travers plusieurs émetteurs, ce qui entraîne un angle de divergence plus petit.
De ce fait, les barrettes de diodes laser présentent intrinsèquement une divergence élevée sur l'axe rapide et une faible divergence sur l'axe lent.
3. Comment l'angle de divergence influence la conception du système
① Coût élevé de la collimation et de la mise en forme du faisceau
En raison de la forte asymétrie du faisceau brut, il est nécessaire d'utiliser des optiques FAC (collimation sur l'axe rapide) et SAC (collimation sur l'axe lent). Cela accroît la complexité du système et exige une grande précision d'installation ainsi qu'une excellente stabilité thermique.
② Efficacité de couplage des fibres limitée
Lors du couplage de barrettes laser à des fibres multimodes, des systèmes optiques ou des lentilles asphériques, la forte divergence sur l'axe rapide peut entraîner un débordement du faisceau, réduisant ainsi l'efficacité du couplage. La divergence est une source majeure de pertes optiques.
③ Qualité des poutres dans l'empilement des modules
Dans les modules empilés à plusieurs barres, une divergence mal contrôlée peut provoquer un chevauchement inégal des faisceaux ou une distorsion en champ lointain, affectant la précision de la focalisation et la distribution thermique.
4. Comment contrôler et optimiser la divergence dans les barrettes de diodes laser
Bien que la divergence soit largement définie par la structure du dispositif, plusieurs stratégies au niveau du système peuvent être utilisées pour l'optimisation :
①Utilisation des lentilles FAC
Placer une lentille de collimation sur l'axe rapide près de la facette émettrice comprime le faisceau et réduit la divergence sur l'axe rapide ; ceci est essentiel dans la plupart des conceptions.
②Lentilles SAC pour un modelage supplémentaire
Bien que la divergence sur l'axe lent soit plus faible, une mise en forme reste nécessaire dans les réseaux ou les sources lumineuses linéaires pour obtenir un éclairage uniforme.
③Conception de la combinaison de faisceaux et de la mise en forme optique
L'utilisation de réseaux de microlentilles, de lentilles cylindriques ou d'optiques structurées peut permettre de transformer plusieurs faisceaux laser en un faisceau uniforme de haute luminosité.
④Optimisation du guide d'ondes au niveau du dispositif
L'ajustement de l'épaisseur de la couche active, de la conception du guide d'ondes et des structures de réseau permet d'affiner davantage la divergence de l'axe rapide au niveau de la puce.
5. Contrôle de la divergence dans les applications du monde réel
①Sources de pompage laser
Dans les systèmes laser à semi-conducteurs ou à fibre de forte puissance, les barrettes de diodes laser servent de sources de pompage. Le contrôle de la divergence, notamment sur l'axe rapide, améliore l'efficacité du couplage et la focalisation du faisceau.
②Dispositifs médicaux
Pour des systèmes comme la thérapie laser et l'épilation, la gestion de la divergence assure une distribution d'énergie plus uniforme et un traitement plus sûr et plus efficace.
③Traitement des matériaux industriels
En soudage et découpe laser, une divergence optimisée contribue à une densité de puissance plus élevée, une meilleure focalisation et un traitement plus précis et plus efficace.
6. Conclusion
L'angle de divergence d'une barrette de diodes laser est un point de transition crucial, entre la physique des puces à l'échelle micrométrique et les systèmes optiques à l'échelle macroscopique.
Elle sert à la fois d'indicateur de qualité du faisceau et de limite de conception pour l'intégration. Face à la complexité croissante des systèmes et aux exigences des applications, la compréhension et la maîtrise de la divergence deviennent une compétence essentielle pour les fabricants et les intégrateurs de lasers, notamment pour progresser vers une puissance, une brillance et une fiabilité accrues.
Date de publication : 14 juillet 2025