Si une diode laser est une conception monolithique traditionnelle ou utilise une configuration de cavité externe, la lumière laser doit toujours se propager à travers la jonction PN de la diode via un guide d'ondes. En conséquence, le profil de faisceau des diodes à émission de bord est unique par rapport à toutes les sources laser en raison de la géométrie asymétrique de cette cavité optique. Ce problème entraîne souvent une certaine confusion quant à la manière d’intégrer correctement les diodes laser à faisceau ouvert dans votre système. Par conséquent, pour aider ce blog à élaborer des informations détaillées dans la section Lasers 101 en expliquant les principes physiques. Nous commencerons par examiner brièvement les jonctions PN, puis nous explorerons le rôle du guide d'ondes en crête. Enfin, nous conclurons avec un aperçu des astuces optiques courantes pour traiter les faisceaux laser asymétriques.
Une analyse approfondie de la physique des jonctions PN n'est pas nécessaire pour comprendre les propriétés du faisceau, mais il est essentiel de comprendre que cette jonction, dont l'épaisseur est d'environ 1 micron, est la seule partie de la diode où l'électron la recombinaison de trous est possible. En conséquence, quelle que soit la puissance de la diode laser, cette couche mince constitue le seul emplacement où la génération et l'amplification de la lumière sont possibles. Par conséquent, il est essentiel de s'assurer que toute la lumière laser est étroitement confinée dans la jonction PN. Ceci est accompli en gravant une arête dans la couche supérieure de la diode, ce qui crée un guide d’ondes en raison de la différence extrême d’indice de réfraction du semi-conducteur (~ 3,5) et de l’air (~ 1,0). Si cette crête est considérablement étroite pour ne permettre qu'un seul mode spatial à se propager à travers le guide d'ondes, par exemple 3 microns à 785 nm, il en résultera un laser monomode. Cependant, cela limite le volume total de la cavité laser de la diode et augmente la densité de puissance à la facette, limitant ainsi la puissance maximale du laser. Pour les applications à forte puissance, la largeur de la crête de la diode est généralement étendue à environ 100 microns pour augmenter le volume de la cavité et réduire la densité de puissance de la facette avant. Pour les applications de très forte puissance, plusieurs guides d'ondes peuvent être placés sur la même diode, produisant un réseau d'émetteurs uniques sur une barre de diodes.
Comme la lumière laser est contenue dans tous ces cas, elle diffracte lors de son émission en formant un faisceau très divergent. De plus, en raison de la nature asymétrique de la géométrie, l'axe du faisceau perpendiculaire à la jonction PN diffracte et suit un angle de divergence supérieur à celui de l'axe parallèle à la jonction PN, ce qui donne un faisceau elliptique, comme illustré dans la figure ci-dessous. Ces deux axes sont donc étiquetés comme étant l’axe rapide et l’axe lent, ce qui donne un faisceau elliptique. Or, dans tous les cas, l'axe rapide du faisceau ne contiendra qu'un seul mode longitudinal car le faisceau est contenu dans une cavité aussi étroite. En fonction de la largeur de la crête et de la longueur d'onde du
pointeur laser, l'axe lent peut inclure un ou plusieurs modes. Dans le cas des barres à diodes, les modes de chaque émetteur ont tendance à se mélanger et à former un faisceau de sortie raisonnablement homogène, mais pour les émetteurs monomodes multimodes, le faisceau contient souvent des «points chauds» et des «points froids» qui peuvent poser problème pour certaines applications.
Pour certaines applications telles que les pointeurs laser, cette forme de faisceau elliptique est parfaitement fine et, en tant que telle, une seule optique est nécessaire pour obtenir le résultat final. Cela peut être accompli soit en utilisant une lentille cylindrique qui réduit la divergence de l'axe rapide tout en permettant à l'axe lent de passer à travers sans être affecté, soit en utilisant une seule lentille asphérique. Pour les applications plus avancées nécessitant des lentilles cylindriques croisées à faisceau circulaire, chaque lentille étant choisie pour correspondre à l'ouverture numérique de l'axe rapide et de l'axe lent, peut être utilisée comme indiqué dans la figure ci-dessous. Bien que cette approche fasse un excellent travail de circularisation, elle aboutit souvent à un profil de faisceau en forme de losange dû à une émission spontanée amplifiée, afin d'améliorer encore la qualité du faisceau, il est généralement préférable de coupler le faisceau à une fibre puis de rappeler la sortie. Pour les lasers monomodes, la fibre agit comme un filtre spatial produisant un faisceau de sortie parfait TEM00 et, dans le cas des lasers multimodes, la fibre joue le rôle d'un homogénéisateur réduisant considérablement les points chauds et les points sombres. Toutes les configurations optiques décrites précédemment sont utilisées avec des émetteurs simples, mais les mêmes principes peuvent également être appliqués aux émetteurs multiples où de grandes lentilles cylindriques ou des réseaux de microlentilles sont souvent utilisés.
