Coherent beam combining of high-brightness tapered semiconductor optical amplifiers

par Philipp Albrodt

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrick Georges.

Soutenue le 17-01-2020

à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne) (référent) et de Laboratoire Charles Fabry / Lasers (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Lecoeur.

Le jury était composé de Mircea Guina, Agnès Desfarges-Berthelemot, Bernd Sumpf.

Les rapporteurs étaient Mircea Guina, Agnès Desfarges-Berthelemot.

  • Titre traduit

    Combinaison cohérente des amplificateurs optiques à semi-conducteurs à section évasée


  • Résumé

    Des sources laser à semiconducteur avec une forte luminance sont requises pour de nombreuses applications directes et indirectes. L’augmentation de la puissance au-delà des limitations liées aux seuils de dommage se fait par des techniques de combinaison. La combinaison cohérente permet l’augmentation de la puissance tout en préservant les propriétés physiques des émetteurs individuels et est donc le concept idéal pour l’augmentation de la luminance. Les amplificateurs optiques avec une section évasée permettent d’atteindre des puissances élevées par émetteur tout en gardant une bonne qualité spatiale et sont donc les émetteurs idéaux pour l’augmentation de la luminance par combinaison cohérente.L’objectif de ce travail est le développement d’architectures simples et robustes pour la combinaison cohérente d’un petit nombre d’émetteurs de forte luminance. Différents designs d’amplificateurs à section évasée, développés et fabriqués par le Ferdinand-Braun-Institut (Berlin, Allemagne) dans le cadre d’une collaboration de recherche, sont évalués dans le contexte de la combinaison cohérente. La combinaison cohérente à forte puissance est étudiée en détail et démontrée en régime continu et impulsionnel. Le système développé, avec une puissance maximale de 23 W dans un faisceau présentant une qualité spatiale très élevée, se compare de manière avantageuse à d’autres expériences de combinaison cohérente de diodes laser.L’intérêt de la combinaison cohérente pour des applications nécessitant de fortes luminances est démontré par une augmentation de l’efficacité non-linéaire dans le cadre d’une expérience de doublement de fréquence. De plus, des architectures modulaires et compactes avec une très bonne stabilité sont développées et caractérisées.


  • Résumé

    Abstract Compact and efficient high-brightness semiconductor laser systems are demanded for direct and indirect applications. Power scaling beyond the limitations of material damage threshold requires combining multiple beams from independent emitters. Unlike other beam combining techniques, coherent beam combining (CBC) allows power and brightness scaling while maintaining all physical properties of the individual emitters and is therefore the ideal approach for brightness scaling. As they provide high powers with good beam quality, semi-conductor tapered lasers and amplifiers are a good starting block for power and brightness scaling in coherent beam combining setupsThis work targets the development of simple and robust coherent beam combining setups based on a few high power tapered amplifiers with optimized design. Different amplifier designs developed and fabricated within the framework of common research activities with the Ferdinand-Braun-Institut (Berlin, Germany) are investigated in details and tested in coherent beam combining architectures. Both continuous wave and pulsed quasi-continuous wave CBC is demonstrated and investigated at high powers. The achieved maximum power (23 W in QCW) in a nearly diffraction limited beam compares favourably to previous work on CBC with semiconductor emitters.The usefulness of CBC for applications requiring high brightness is demonstrated by an increased nonlinear conversion efficiency in single pass SHG setups. Furthermore, the work also targets the development of integrated modular setups with reduced footprint and improved stability.


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