Conditions doscillation Tout oscillateur stable doit runir trois

Conditions d’oscillation Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients : l Une condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour en régime stationnaire l Gain exp (. N. L) l Pertes = Rmiroirs + pertes intrinsèques (diffusion, diffraction…) ( = section efficace, N = inversion de population, L = longueur du milieu amplificateur) Une condition sur la phase : résonance l Un élément stabilisateur : la saturation du gain l Les Bases Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Condition Gain = Pertes en régime stationnaire Exemple : Si le gain = 4 à chaque aller-retour dans le milieu amplificateur (donc gain simple passage = 2) il faut que les pertes divisent par 4 le nombre de photons G x H = 1 ou G = 1/H Gain pertes 4 0. 25 G H Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie : R=100% Milieu Amplificateur R=25% G=2 G Les Bases M 1 M 2 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Condition Gain = Pertes en régime stationnaire Exemple : Si le gain = 4 à chaque aller-retour dans le milieu amplificateur (donc gain simple passage = 2) il faut que les pertes divisent par 4 le nombre de photons G x H = 1 ou G = 1/H Gain pertes 4 0. 25 G H Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie : R=100% Milieu Amplificateur R=25% G=2 G Les Bases M 1 M 2 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Saturation du gain l Avant l’établissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que l’intensité « se construise » dans la cavité Gain Point de fonctionnement Gain(I) = Pertes G 0 G(I) Stabilité : - Si I augmente, Gain < pertes donc I Pertes (1/H) diminue : stabilisation - Si I diminue, Gain > pertes donc I augmente : idem. Les Bases I Intensité laser dans la cavité Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Et pourquoi le gain sature-t-il ? (3) Non radiatif rapide Effet laser (1) Non radiatif rapide Faible intensité : inversion de population forte N = N 2 – N 1 Gain exp (. N. L) (2) POMPE (2) Effet laser (1) Forte intensité : chaque photon laser fait retomber un atome dans l’état du bas : niveau du haut dépeuplé : N diminue ! Les Bases Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Saturation du Gain En résumé : Le Gain G est proportionnel à l’inversion de population N Sous le seuil : N croit linéairement avec le taux de pompage R Au dessus du seuil : N sature, car si le niveau superieur se remplit vite via le pompage R, il se vide également très vite via la transition laser : on atteint un équilibre. N reste constant, donc le gain aussi. Au dessus du seuil, toute la puissance de pompage sert à augmenter le signal optique N Photons Nseuil Les Bases Rseuil Pompage Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Monochromatique ? Modes autorisés par la cavité = Oscillation laser possible (gain> pertes) Courbe de Gain (non saturé) Pertes Ici : 5 modes possibles C/2 L ≈ MHz Exemples Les Bases Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Tous monochromatiques ? Fonctionnement naturel Multimode (Δν ~ 1010 Hz → Δλ ~ 0, 01 nm) Δν Fonctionnement monomode (pertes sélectives favorisant UN SEUL mode) A Ex : lasers pour la métrologie / télécom optiques (Δν ~ 106 Hz → Δλ ~ 10 -6 nm) 0 Δν Fonctionnement fortement multimode : lasers NON monochromatiques ex : Titane-saphir Les Bases Δν = 4. 1014 Hz → Δλ ~ 300 nm Δν Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Lasers accordables Plage d’émission = largeur de la bande inférieure Relaxation rapide vers le bas de la bande Ex : Ti: Sa [700 -1100 nm] POMPE 1 Colorants (visible) 2 3 … Arrivée sur un niveau quelconque de la bande inférieure Les Bases Rq : on utilise souvent un laser à fréquence fixe + un OPO pour obtenir un rayonnement accordable Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Plan général du cours l I. Les principes de base du laser l l l II. Fonctionnement des lasers l l Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement l l l Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes l. IV. Les différents lasers et leurs applications l. Liquides l. Gazeux l. Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) l. Quelques notions d’Optique non-lineaire l. Exemples d’applications Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

L’Emission LASER l Propriétés TEMPORELLES Fonctionnements possibles : l l Régime Continu Régime impulsionnel : Durées : de la s à la femtoseconde (10 -15 s) Cadences : de < 1 Hz au GHz Conséquence de cette concentration dans le temps : Puissances Crêtes énormes ! Ordre de grandeur : Laser impulsionnel 5 ns (durée impulsion), 10 Hz (cadence), 10 W (puissance moyenne) → Pcrete = Pmoyen/(cadence x durée) = 200 MW !! (densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~1016 W/cm 2) Pcrête Les Bases Pmoy Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Mode déclenché : Q-switch Principe: Augmentation artificielle des pertes durant le pompage : L’inversion de population et donc le gain sont maximisés. Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d’énergie. Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la cavité dans son état « normal » (pertes faibles). L’oscillation s’établit rapidement et on a une impulsion brève et intense. Le processus est répété pour générer l’impulsion suivante. Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Évolution d’un laser à mode déclenché Pertes Niveau haut Niveau bas Temps t On s’arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité. Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Évolution d’un laser à mode déclenché Pertes Gain Niveau haut Niveau bas Temps t On pompe le milieu amplificateur jusqu’à ce que le gain approche les pertes. Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Évolution d’un laser à mode déclenché Pertes Gain Niveau haut Niveau bas Temps t On abaisse les pertes de façon quasi instantanée. Q-switch L’inversion de population est alors massive : le niveau supérieur, en se « vidant » brusquement, provoque la création d’une impulsion géante. Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Évolution d’un laser à mode déclenché Impulsion laser Pertes Qswitch applet Gain Temps t Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un niveau inférieur aux pertes : c’est la fin de l’impulsion … Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Conditions nécessaires au Q-switch (1) Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand que le temps de l’établissement de l’oscillation dans la cavité. 2>ts (2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au temps de vie du niveau supérieur. Tp 2 (3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes pour ne pas avoir d’oscillations durant le pompage. (4) Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de façon quasi instantanée pour ne pas perdre d’énergie emmagasinée. Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le déclenchement Passif Utilisation d’absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement I T T. I 1 I Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le déclenchement Passif T Utilisation d’absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement I Donc : • Pas d’impulsion materiau opaque pertes élevées • Début d’impulsion materiau transparent pertes diminuent impulsion plus forte pertes diminuent encore… Le déclenchement se fait automatiquement, sans intervention exterieure autre que le pompage : • Simple, économique • Problème de contrôle des impulsions (jitter) Q-switch Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le déclenchement actif V Cellule Pockels Milieu amplificateur Cellule de Pockels : cristal électro-optique qui joue le rôle d’une « porte de polarisation » . C’est une porte commandée par une haute tension. Porte fermée = pertes infinies ; porte ouverte = pertes faibles (normales) On choisit ainis le moment de création de l’impulsion en basculant la tension V Données typiques des lasers déclenchés (“Q-switched lasers”) : - Durée de l’impulsion : ~ 1 à 100 ns Q-switch - Cadence : de quelques Hz à 100 k. Hz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le verrouillage de modes “mode locking” • technique du Q-switch : la durée des impulsions est au minimum égale au temps mis par les photons pour faire un aller-retour dans la cavité : durée minimale ~ ns • Pour des durées plus courtes (par ex 100 fs), la durée de l’impulsion n’est plus infiniment grande devant la période lumineuse Ex : à λ = 800 nm, T= λ/c = 2, 6 fs : une impulsion de 100 fs contient donc seulement 40 périodes → le spectre d’une impulsion courte n’est donc pas monochromatique (transformation de Fourier) Mode-Lock Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Modes longitudinaux http: //nano. jyu. fi/summerschool 06/lectures/Baumert 2. ppt Gain Boundary Condition: Allowed Modes: Mode Distance: Mode-Lock = const. Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le verrouillage de modes Mode-Lock Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le verrouillage de modes Mode-Lock Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Addition de modes en phase Additionnons N sinusoides de fréquences Intensity Champ électrique total : Supposons les modes en phase et de même amplitude : ν 0 n Frequence Fréquence centrale Mode-Lock (pour le montrer : passer par les exponentielles complexes : c’est une simple suite géométrique) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Addition de 1, 2, 4, 6 modes en phase battements Puissance crête : Durée des impulsions : Nombre de modes Mode-Lock Écart entre deux modes Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le verrouillage de modes Mode-Lock Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Verrouillage de modes Δν Résumé : fréquence C/2 L Pour faire des impulsions courtes il faut : - Beaucoup de modes (N grand) : matériau laser avec une large bande d’amplification (Titane-saphir, colorant, erbium…) - la durée des impulsions ne dépend que de la largeur de la courbe de gain si tous les modes sont en phase : t = 1/Δν - ex : t (Nd: YAG) 10 ps ; t (Ti: Sa) 10 fs - la cadence ne dépend que de la longueur de la cavité f = c/2 L Mode-Lock Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Comment faire ? Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé) Exemple : Utilisation de l’effet Kerr n = n 0+n 2. I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime continu (faible Intensité, n = constant) Mode-Lock Fortes pertes ! diaphragme Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Comment faire ? Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé) Exemple : Utilisation de l’effet Kerr n = n 0+n 2. I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime Pulsé, I très grand Mode-Lock Pertes Faibles ! diaphragme Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Exemple : le laser Titane-saphir Nd: YAG 2 Argon Δλ ~ 400 nm ! (Δttheo~5 fs) Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes laser vertes de puissance) Laser pompé en continu (quelques W) avec un laser vert (argon à 488 nm ou Nd: YAG suivi d’un cristal doubleur pour générer un faisceau à 532 nm) Typiquement : ~1 W à 100 MHz durée 100 fs soit 100 k. W de puissance crête (10 n. J/impulsion) Ti 3+: Al 2 O 3 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Plan général du cours l I. Les principes de base du laser l l l II. Fonctionnement des lasers l l Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement l l l Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes l. IV. Les différents lasers et leurs applications l. Liquides l. Gazeux l. Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) l. Quelques notions d’Optique non-lineaire l. Exemples d’applications Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Différents types de lasers l l l Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l’optique non linéaire : comment changer la couleur d’un laser ? Types de lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Différents types de lasers l l l Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l’optique non linéaire : comment changer la couleur d’un laser ? Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à Gaz l Visible l l Infrarouge l l l Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet l Laser Excimère Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à Gaz l Visible l l Infrarouge l l l Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet l Laser Excimère Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser He-Ne l l Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960) Principe : pompage par décharge électrique + transfert d’énergie entre l’Helium et le Néon 3 s 2 s 1 s Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser He-Ne l La transition la plus connue est à 633 nm l Très utilisée pour l’alignement (faible puissance) TEM 00, polarisé, faible puissance (qql m. W) Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à gaz ionisé Milieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…) l Pompage = décharge électrique l l. Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm l. Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à gaz ionisé l l l Fortes puissances possibles (20 W CW classique) Refroidissement par eau (fortes puissances) ou par air Encombrants et rendement electrique-optique faible (<0, 01%) Refroidissement par eau Lasers à gaz Refroidissement par air Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à gaz ionisé Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm l Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) l Utilisés par exemple pour les shows laser l Argon Lasers à gaz Argon + Krypton Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à Gaz l Visible l l Infrarouge l l l Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet l Laser Excimère Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser CO 2 l l l Moyen IR (9. 6 et 10. 6 µm) Très grandes puissances possibles (100 k. W CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser CO 2 l l l Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la molécule de CO 2 Pompage par décharge électrique ou RF Excitation des molécules de CO 2 l l Lasers à gaz Collisions avec les molécules de N 2 Collisions inélastiques avec des électrons de faible énergie (5 e. V) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser CO 2 Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à vapeur de cuivre Laser visible impulsionnel de forte puissance moyenne Milieu amplificateur : mélange de néon et de vapeur de cuivre Longueurs d’onde : 510 nm (vert) et 578 nm (jaune) Application : pompage de lasers à colorant pour le procédé SILVA (Séparation Isotopique par Laser en Vapeur Atomique)du CEA (enrichissement de l’uranium en isotope U 235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné. Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à Azote (N 2) Milieu amplificateur : Azote gazeux, statique ou en flux Pompage électrique Emission dans l’UV (337. 1 nm) Uniquement pulsé (ns) Laser bon marché, puissant (Pcrête = qql MW) Peu efficace (rendement = 0. 1%) Lasers à gaz Effet laser obtenu à partir de l’Azote atmosphérique par décharge électrique : (Pas de cavité !) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers chimiques l Ex : le laser HF/DF (Hydrogène-Fluor ou Deuterium-Fluor) L’ inversion de population est produite, par une réaction chimique exothermique dans le milieu amplificateur. Ces réactions produisent des molécules excitées (l’inversion de population est donc automatique) à des niveaux de vibrations élevés, qui en se désexcitant, peuvent émettre de la lumière cohérente dans la gamme 3 -5 µm. Application principale: domaine militaire (arme antimissile ou antisatellite). Ex: laser MIRACL (US army) : Aire faisceau = 14 cm 2 et Puissance = 2, 3 MW. Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

“Application” des lasers chimiques • Lasers très volumineux, souvent “monocoup” • application exclusivement militaire : destruction de missiles Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

The “airborne laser program” But : détruire les missiles le plus tôt possible après leur lancement - 7 Boeing 747 équipés (un laser chimique + lasers de pointé), 5 en vol en permanence Projet lancé par le Pentagone en 1996 pour se terminer…en 2006 Lasers à gaz En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers à Gaz l Visible l l Infrarouge l l l Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet l Laser Excimère Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers excimères l Ex : les lasers Ar. F, Kr. F, Xe. Cl, Xe. F… Ces excimères (excited dimers) ont des états excités stables et des états fondamentaux instables. L’excitation (par decharge electrique) produit automatiquement une inversion de population (la population dans le niveau fondamental est par definition nulle !). Emission dans l’UV F 2 Ar. F Kr. F Xe. Cl Xe. F (principales raies à 157, 193, 248, 308, 351 nm) Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps) Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique… Lasers à gaz Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Différents types de lasers l l l Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l’optique non linéaire : comment changer la couleur d’un laser ? Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser à Colorant Le milieux actif est un colorant organique fluorescent, en solution dans un liquide. Le pompage se fait optiquement (par un autre laser) - intérêt majeur : ils sont accordables. - Tout le spectre visible peut être balayé par des lasers à colorant. Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant, produits toxiques…) et sont surtout utilisés pour la recherche Colorant Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser à Colorant Longueurs d’ondes accessibles avec différents colorants : Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue avec un reseau intracavité par ex. Colorant Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Différents types de lasers l l l Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l’optique non linéaire : comment changer la couleur d’un laser ? Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers Solides l Définition: - Milieu amplificateur = cristal (ou verre) dopé avec des ions aux propriétés laser (avec un schéma à 3 ou 4 niveaux) principaux ions laser utilisés : Néodyme (Nd 3+), titane Ti 3+, ytterbium… - matrices hôtes sont variées : YAG (Y 3 Al 5 O 12) et variantes, Verres, Saphir… Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Les lasers Solides Croissance des cristaux : Méthode Czochralski Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser Nd: YAG Nd 3+: Y 3 Al 5 O 12 4 S 3/2 4 F 5/2 Niveaux d’énergie supérieure (peuplés par le pompage) -- 4 F 7/2 Décroissance rapide non radiative -- 3 H 9/2 Bandes de pompage 4 F 0, 73 µm 4 I Niveaux d’énergie supérieure (métastable) 3/2 r = 240 µs 0, 808 µm 4 I 15/2 4 I 13/2 4 I 11/2 1444 nm 1064 nm 946 nm 9/2 Etat fondamental Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser Nd: YAG Pompage par lampe flash ou par diode laser (Lasers de forte puissance) Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage par flash cavité réfléchissante Barreau laser faisceau laser lampe flash Flashs et barreaux foyers de 2 réflecteurs elliptiques source de tension Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Le laser Ti: Sa l Principal laser solide accordable Ti 3+: Al 2 O 3 Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage d’un laser Ti: Sa Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes laser vertes de puissance) Pompage par un autre laser : Argon ou laser solide doublé en fréquence Nd: YAG 2 Argon Le rendement et la compacité totale sont donc médiocres Spectre d’émission très large : Lasers Solides • Accordabilité étendue • Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser à verrouillage de modes – limite théorique Ti-Sa = 4 fs) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Différents types de lasers l l l Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l’optique non linéaire : comment changer la couleur d’un laser ? Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES D’ENERGIE bande de conduction Eg=gap Ef Ef bande de valence bande pleine ISOLANT Diodes lasers k. T~Eg bande de conduction SEMICONDUCTEUR METAL Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe SEMICONDUCTEURS DOPÉS électron supplémentaire mobile Si Si Si Si V Si Si Si excès d’électrons semiconducteur dopé n électron = trou manquant mobile Diodes lasers Si Si Si III électron Si Si Si manquant Si Si déficit d’électrons Si ou excès Si de trous semiconducteur dopé p Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe STRUCTURE DE BANDES Tension appliquée, création d’un courant d’électrons et de trous émission de lumière Sans champ appliqué semiconducteur jonction dopé p semiconducteur dopé n recombinaison des électrons et des tro Bande de conduction Ef, C électrons Ef Ef, V trous Photons Bande de valence Diodes lasers Le silicium massif ne peut pas émettre de lumière (SC à gap indirect) : les SC utilisés pour les diodes laser sont à gap direct : Ga. As, In. Ga. As, Al. Ga. As etc. Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe DOUBLE HÉTÉROJONCTION npetit gap > ngrand gap • Confinement des photons • Confinement des porteurs (électrons et trous) (dans la direction verticale. Horizontalement : ruban) Grand Gap Petit Gap « entonnoir à électrons » Diodes lasers d Indice de réfraction d Grand Gap Ga. Al. As Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe Puits quantiques 25 Å Al. Sb In. As Al. Sb Croissance Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe : accoler deux materiaux différents Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles ! Exemple : Ga. As = Al. As = 5. 63Å Al. As Ga. As Bande de Conduction Al. As EG= 2. 2 e. V Al. As EG= 1. 43 e. V Bande de Valence Diodes lasers Ga. As Bande de Conduction Puits quantique = double héterostructure de petite taille (nm) Le puits quantique est la brique de base de l’ingénierie quantique Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Principe ARCHITECTURES DIODES LASER + Métal couche active dopée p + Métal P Si. O 2 couche active dopée p N couche active dopée p P N N P Métal N n _ N Métal _ _ Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Technologie TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE Epitaxie par Jet Moléculaire Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Propriétés des diodes laser Section émettrice: de 1µm x 3µm (faible puissance) jusqu’à 1 µm x plusieurs centaines de µm de longueur Divergence : 10°x 30° (FWHM) environ Puissance : de qq m. W à 200 m. W avec un faisceau de même qualité qu’un laser Pour des puissances > 200 m. W : faisceau + divergent qu’un faisceau laser de même taille Problème : un tel faisceau ne peut plus être focalisé sur une tache de diffraction de taille ~λ² Efficacité de conversion électrique-optique : 30 à 50 % Durée de vie (10 000 heures) Les Performances (seuil, longueur d’onde, efficacité, durée de vie) dépendent de la température Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Propriétés Profil spatial en champ lointain plan jonction (axe « rapide » ) limité par la diffraction : faisceau très divergent, profil gaussien plan // jonction (axe « lent » ) s. Selon le type de guidage réalisé et la largeur de la couche active Faisceau elliptique & divergent Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Propriétés Couplage dans une fibre optique vue de dessus du couplage direct d’une diode laser avec une fibre lentillée Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Contrôle spectral AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ Milieu actif Traitement AR Mirroir de sortie Miroir de fond de cavité (réseau) Cavité externe réseau Distributed feedback (DFB) Optique de collimation Milieu actif Miroir de fond de cavité (réseau) Mirroir de sortie Distributed Bragg Reflector (DBR) Diodes lasers Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Diodes de puissance Diodes MONORUBAN : L’épaisseur de la jonction est de 1 µm (constante) pour augmenter la puissance il faut augmenter la largeur de la section émettrice de 3 µm à 500 µm Problème : Faisceau non limité par diffraction BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE Puissance de 40 à 60 W continue à 808 nm (Al. Ga. As) ou entre 940 et 980 nm (In. Ga. As) 20 à 40 mono-émetteurs sur 1 cm de long, facteur de remplissage : 50 % Pas de cohérence entre la lumière émise par chaque émetteur Divergence : 40 ° (direction perpendiculaire à la jonction, 1 µm) 10 ° (direction parallèle à la jonction, 1 cm) M 2 = 1000 (//) par 1 ( ) Diodes lasers Emission très dissymétrique !!! Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Diodes de puissance BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE Assemblage de diodes laser émettant une puissance crête de 1. 6 KW Diodes lasers Livermore (LLNL) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Diodes de puissance FIBREES OPTO POWER Diode laser continue Al. Ga. As fibrée de 20 W @ 808 nm (base des lasers solides pompés par diodes de Spectra Physics) Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Diodes de puissance Problème majeur : Figure de Mérite = Augmentation de la puissance Baisse de la luminance puissance surface émettrice x divergence = luminance (“brightness”, brillance) diode monomode spatial: 100 m. W diode monomode spatial : 1 W diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm) barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm) diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0, 2) --> 40 MW/cm 2. rd 2 --> 400 MW/cm 2. rd 2 --> 100 k. W/cm 2. rd 2 (laser CO 2 de 1 k. W --> 100 MW/cm 2. rd 2) Diodes lasers --> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux - pompage optique de lasers solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Contrôle spatial Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique Remise en forme du faisceau nécessaire Deux Exemples : (il existe moultes autres méthodes) Lens duc Stack de diodes In. Ga. As Lentilles cylindriques de collimation Diodes lasers Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Applications l Pour les diodes de faible puissance : l l l Pour les diodes de forte puissance : l Diodes lasers Telecoms (λ~1, 55 µm) Spectroscopie (détection de polluants…) Lecteurs/graveurs de CD/DVD Imprimantes Laser Pompage des Lasers Solides Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Une diode laser pour pomper un autre laser ? l Pourquoi ? l Plus compact et plus fiable l Plus efficace l l Recouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristal l Rendement électrique/optique: jusqu’à 15% à la prise pour un laser solide pompé par diode Faisceau “limité par diffraction” (i. e. que l’on peut focaliser sur la plus petite surface théoriquement accessible : λ²) l Diodes lasers Inconvénients : l Tous les matériaux solides ne sont pas « pompables » par diode : limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge autour de 1 µm principalement) l Contrôle de la température nécessaire l Assez cher ! Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage par diode Système diode + Laser un convertisseur de mode spatial - pompe multimode transverse --> émission monomode un convertisseur de fréquence - transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage) Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Lasers Solides Faisceau laser monomode transverse Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage par diode Faible puissance Nd: YAG Polariseur Coherent Puissance de sortie : 0, 5 W Diode de pompage @ 808 nm Forte puissance Miroir Rmax P = 13 W cw, TEM 00 Nd: YVO 4 : plus forte absorption que le Nd: YAG Ppompe = 26 W Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir de sortie T = 18 % Lasers Solides Spectra Physics Nd: YVO 4 Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Gestion des effets thermiques !!! Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage par diode LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES Keyes and Quist Fonctionnement à l’azote liquide (77°K) Lasers Solides (Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord