Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Conditions doscillation Une condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour

Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris NordSébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Conditions d’oscillationConditions d’oscillation

Une condition sur le gain : Gain = PertesUne condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour en régime stationnairesur un aller-retour en régime stationnaire Gain Gain exp ( exp (..N.L) N.L) (( = section efficace, = section efficace, N = inversion de N = inversion de

population, L = longueur du milieu population, L = longueur du milieu amplificateur)amplificateur)

Pertes = RPertes = Rmiroirsmiroirs + pertes intrinsèques + pertes intrinsèques (diffusion, diffraction…)(diffusion, diffraction…)

Une condition sur la phase : Une condition sur la phase : résonancerésonanceUn élément stabilisateur : Un élément stabilisateur :

la saturation du gainla saturation du gain

Les Bases

Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients :


Milieu Amplificateur

M1M2

Les Bases

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

G=2

Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie :

R=25%R=100%

G x H = 1 ou G = 1/H4 0.25

Gain pertes

G

H

Condition Gain = Pertes Condition Gain = Pertes en régime stationnaireen régime stationnaire


Milieu Amplificateur

M1M2

G

G=2

R=25%R=100%

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

Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie :

G x H = 1 ou G = 1/H4 0.25

Gain pertes

G

H

Condition Gain = Pertes Condition Gain = Pertes en régime stationnaireen régime stationnaire

Les Bases


Saturation du gainSaturation du gain

Intensité laser dans la cavité

Pertes (1/H)

G0

G(I)

Gain

I

Point de fonctionnement Gain(I) = Pertes

Stabilité :

- Si I augmente, Gain < pertes donc I diminue : stabilisation

- Si I diminue, Gain > pertes donc I augmente : idem.

Avant l’établissement du régime stationnaire, il Avant l’établissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que l’intensité « se faut que GAIN > Pertes pour que l’intensité « se construise » dans la cavitéconstruise » dans la cavité

Les Bases


Et pourquoi le gain sature-t-il ?Et pourquoi le gain sature-t-il ?

Non radiatif rapide

PO

MP

E

Non radiatif rapide

Effet laser

(2)

(1)

(3)

PO

MP

E

Faible intensité : inversion de population forte

Forte intensité : chaque photon laser fait retomber un atome dans l’état du bas : niveau du haut dépeuplé : N diminue !

N = NN = N22 – N – N11

Gain Gain exp ( exp (..N.L)N.L)

PO

MP

E

Non radiatif rapide

Effet laser

(2)

(1)

(3)

PO

MP

E

Les Bases


Saturation du GainSaturation du Gain

Les Bases

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

Pompage

N

Rseuil

Nseuil

Pompage

Photons

Rseuil


Monochromatique ?Monochromatique ?

C/2L

Modes autorisés par la cavité

Courbe de Gain (non saturé)

Pertes

= Oscillation laser possible (gain> pertes)

Exemples

Les Bases

Ici : 5 modes possibles

≈ MHz


Tous monochromatiques ?Tous monochromatiques ?

Fonctionnement naturel Multimode

(Δν ~ 1010 Hz → Δλ ~ 0,01 nm)

Fonctionnement monomode (pertes sélectives favorisant UN SEUL mode)

Ex : lasers pour la métrologie / télécom optiques

Les Bases

Fonctionnement fortement multimode : lasers NON monochromatiques

Δν

A

0

Δν(Δν ~ 106 Hz → Δλ ~ 10-6 nm)

Δνex : Titane-saphir

Δν = 4.1014 Hz → Δλ ~ 300 nm


Lasers accordablesLasers accordables

Les Bases

PO

MP

E

Relaxation rapide vers le bas de la bande

Arrivée sur un niveau quelconque de la bande inférieure

1

2

3

Plage d’émission = Plage d’émission = largeur de la bande largeur de la bande inférieureinférieure

Ex : Ex : Ti:Sa [700-1100 Ti:Sa [700-1100 nm]nm]

Colorants (visible)Colorants (visible)

……

Rq : on utilise souvent un laser à fréquence fixe + un OPO pour obtenir un rayonnement accordable


Plan général du coursPlan général du cours I . Les principes de base du laserI . Les principes de base du laser

Les sources de lumièresLes sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laserLes caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnementPrincipe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturationLes équation heuristiques et la saturation

II . Fonctionnement des lasersII . Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiensCavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquenceCondition sur le gain et les pertes, sur la fréquence

III . Les différents types de fonctionnementIII . Les différents types de fonctionnement ContinuContinu Impulsionnel déclenchéImpulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modesImpulsionnel à verrouillage de modes

IV. Les différents lasers et leurs IV. Les différents lasers et leurs applicationsapplications

LiquidesLiquidesGazeuxGazeuxSolides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Quelques notions d’Optique non-lineaireQuelques notions d’Optique non-lineaireExemples d’applicationsExemples d’applications


L’Emission LASERL’Emission LASER

Propriétés Propriétés TEMPORELLESTEMPORELLESFonctionnements possibles :Fonctionnements possibles :

Régime ContinuRégime Continu Régime impulsionnel : Régime impulsionnel :

Durées : de la Durées : de la s à la femtoseconde (10s à la femtoseconde (10-15-15 s) s)

Cadences : de < 1Hz au GHzCadences : de < 1Hz 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 !!

Pmoy

Pcrête

(densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~1016 W/cm2)

Les Bases


Mode déclenché : Q-switchMode déclenché : Q-switch

Principe:Principe:AAugmentation artificielle des pertesugmentation artificielle des pertes durant le pompage : durant le pompage : L’inversion de population et donc le gain sont maximisés. L’inversion de population et donc le gain sont maximisés. Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d’énergie.Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d’énergie.

Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la

cavité dans son état « normal » cavité dans son état « normal » (pertes faibles)(pertes faibles). .

L’oscillation s’établit rapidement et on a une impulsion L’oscillation s’établit rapidement et on a une impulsion

brève et intense.brève et intense.

Le processus est répétéLe processus est répété pour générer l’impulsion pour générer l’impulsion

suivante.suivante.

Q-switch


Temps t

Pertes

On s’arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité.

Q-switch

Évolution d’un laser à mode déclenchéÉvolution d’un laser à mode déclenché

Niveau haut

Niveau bas


Temps t

Pertes

Gain

On pompe le milieu amplificateur jusqu’à ce que le gain approche les pertes.

Q-switch

Niveau haut

Niveau bas



Temps t

Pertes

Gain

On abaisse les pertes de façon quasi instantanée.

L’inversion de population est alors massive : le niveau supérieur, en se « vidant » brusquement, provoque la création d’une impulsion géante.


Q-switch

Niveau haut

Niveau bas


Temps t

Pertes

Gain

Impulsion laser

Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un niveau inférieur aux pertes : c’est la fin de l’impulsion …


Q-switch

Q-switch applet


Conditions nécessaires au Q-switchConditions nécessaires au Q-switch

(1)(1) Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand

que le temps de l’établissement de l’oscillation dans la que le temps de l’établissement de l’oscillation dans la

cavité.cavité.

(2)(2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au La durée du pompage doit être plus grande ou égale au

temps de vie du niveau supérieur.temps de vie du niveau supérieur.

22>t>tss

TTpp22

(3)(3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes

pour ne pas avoir d’oscillations durant le pompage.pour ne pas avoir d’oscillations durant le pompage.

(4)(4) Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de

façon quasi instantanée pour ne pas perdre d’énergie façon quasi instantanée pour ne pas perdre d’énergie

emmagasinée.emmagasinée.

Q-switch


Le déclenchement PassifLe déclenchement Passif

Utilisation Utilisation d’absorbants saturablesd’absorbants saturables : :Materiaux non-linéaires opaques sous faible Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairementéclairement et transparents sous fort éclairement

Q-switch

T

I

I T.I1

Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)


Le déclenchement PassifLe déclenchement Passif

Utilisation Utilisation d’absorbants saturablesd’absorbants saturables : :Materiaux non-linéaires opaques sous faible Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairementéclairement et transparents sous fort éclairement

Donc : 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 Le déclenchement se fait automatiquement, sans intervention exterieure autre que le pompage :exterieure autre que le pompage :

• Simple, économiqueSimple, économique

• Problème de contrôle des impulsions (jitter)Problème de contrôle des impulsions (jitter)

Q-switch

T

I


Le déclenchement actifLe déclenchement actif

Milieu Milieu amplificateuramplificateur

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)

Cellule Cellule PockelsPockels

V

On choisit ainis le moment de création de l’impulsion en basculant la tension V

Données typiques des lasers déclenchés (“Q-switched Données typiques des lasers déclenchés (“Q-switched lasers”) :lasers”) :

- Durée de l’impulsion : ~ 1 à 100 nsDurée de l’impulsion : ~ 1 à 100 ns

- Cadence : de quelques Hz à 100 kHzCadence : de quelques Hz à 100 kHzQ-switch


Le verrouillage de modesLe 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


Gain

Modes longitudinauxModes longitudinaux

Boundary Condition:

Allowed Modes:

Mode Distance: = const.

http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/Baumert2.ppt

Mode-Lock



Mode-Lock



Mode-Lock


Addition de modes en phaseAddition de modes en phase

Inte

nsity

n Frequence

Champ électrique total :

Supposons les modes en phase et de même amplitude :

ν0

Additionnons N sinusoides de fréquences )1(,,2,, 0000 N

(pour le montrer : passer par les exponentielles complexes : c’est une simple suite géométrique)

Fréquence centrale

Mode-Lock


Addition de 1,2,4,6 modes en phaseAddition de 1,2,4,6 modes en phase

Puissance crête :

Durée des impulsions :

Nombre de modes

Écart entre deux modes

battements

Mode-Lock



Mode-Lock


Verrouillage de modesVerrouillage de modes

Résumé :

C/2L fréquence

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/2L

Δν

Mode-Lock


Comment faire ?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

Regime continu (faible Intensité, n = constant)

n = n0+n2.I

Fortes pertes !

diaphragme

Indice plus fort si I plus fortEffet de lentille dû au

profil gaussien du faisceau laser

Mode-Lock


Comment faire ?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

Regime Pulsé, I très grand

n = n0+n2.I

Pertes Faibles !

diaphragme

Indice plus fort si I plus fortEffet de lentille dû au

profil gaussien du faisceau laser

Mode-Lock


Exemple : le laser Titane-saphirExemple : le laser Titane-saphir

Argon

Nd:YAG 2

Δλ ~ 400 nm !

(Δttheo~5 fs)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 : ~1W à 100MHz durée 100 fs soit 100 kW de puissance crête (10 nJ/impulsion)

TiTi3+3+: Al: Al22OO33

Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes laser vertes de puissance)


Plan général du coursPlan général du cours I . Les principes de base du laserI . Les principes de base du laser

Les sources de lumièresLes sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laserLes caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnementPrincipe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturationLes équation heuristiques et la saturation

II . Fonctionnement des lasersII . Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiensCavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquenceCondition sur le gain et les pertes, sur la fréquence

III . Les différents types de fonctionnementIII . Les différents types de fonctionnement ContinuContinu Impulsionnel déclenchéImpulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modesImpulsionnel à verrouillage de modes

IV. Les différents lasers et leurs IV. Les différents lasers et leurs applicationsapplications

LiquidesLiquidesGazeuxGazeuxSolides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Quelques notions d’Optique non-lineaireQuelques notions d’Optique non-lineaireExemples d’applicationsExemples d’applications


Différents types de lasersDifférents types de lasers

Lasers à GazLasers à Gaz Lasers à liquide (colorants)Lasers à liquide (colorants) Lasers SolidesLasers Solides Un cas à part : les lasers à Un cas à part : les lasers à

Semiconducteurs ou Semiconducteurs ou diodes laserdiodes laser l’optique non linéaire : comment changer l’optique non linéaire : comment changer

la la couleurcouleur d’un laser ? d’un laser ?

Types de lasers







Les lasers à GazLes lasers à Gaz

VViissiibbllee Laser à Argon ioniséLaser à Argon ionisé Laser à Krypton ioniséLaser à Krypton ionisé Laser He-NeLaser He-Ne

InfrarougeInfrarouge Laser COLaser CO22

Lasers Chimiques HFLasers Chimiques HF

UltravioletUltraviolet Laser ExcimèreLaser ExcimèreLasers à

gaz







gaz


Le laser He-NeLe laser He-Ne

Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960)Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960) Principe : pompage par décharge électrique Principe : pompage par décharge électrique

+ transfert d’énergie entre l’Helium et le + transfert d’énergie entre l’Helium et le NéonNéon

1s

2s

3s

Lasers à gaz


Le laser He-NeLe laser He-Ne

La transition la plus connue est à La transition la plus connue est à 633 nm633 nm Très utilisée pour l’alignement (faible puissance)Très utilisée pour l’alignement (faible puissance)

TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW)

Lasers à gaz


Les lasers à gaz ioniséLes lasers à gaz ioniséMilieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…)Milieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…)Pompage = décharge électriquePompage = décharge électrique

Argon : Argon : 364 nm364 nm, , 488 nm488 nm, , 514 514 nmnmKrypton : Krypton : 647 nm 647 nm (+ autres raies (+ autres raies visibles)visibles)

Lasers à gaz


Les lasers à gaz ioniséLes lasers à gaz ionisé Fortes puissances possibles Fortes puissances possibles (20 W CW classique)(20 W CW classique)

Refroidissement par eau (fortes puissances) Refroidissement par eau (fortes puissances) ou par airou par air

Encombrants et rendement electrique-Encombrants et rendement electrique-optique faible (<0,01%)optique faible (<0,01%)

Refroidissement par eau Refroidissement par air

Lasers à gaz


Les lasers à gaz ioniséLes lasers à gaz ioniséArgon : Argon : 364 nm364 nm, , 488 nm488 nm, , 514 nm514 nmKrypton : Krypton : 647 nm 647 nm (+ autres raies visibles)(+ autres raies visibles)

Utilisés par exemple pour les shows Utilisés par exemple pour les shows laserlaser

ArgonArgon + Krypton

Lasers à gaz







gaz


Le laser COLe laser CO22

Moyen IR (9.6 et 10.6 µm)Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Très grandes puissances possibles (100 kW Très grandes puissances possibles (100 kW

CW)CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure Marché industriel énorme : découpe/soudure

des matériauxdes matériaux

Lasers à gaz



Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la molécule de COmolécule de CO22

Pompage par décharge électrique ou RF Pompage par décharge électrique ou RF Excitation des molécules de COExcitation des molécules de CO22

Collisions avec les molécules de NCollisions avec les molécules de N22

Collisions inélastiques avec des électrons de faible Collisions inélastiques avec des électrons de faible énergie (5 eV)énergie (5 eV)

Lasers à gaz



Lasers à gaz


Les lasers à vapeur de cuivreLes lasers à vapeur de cuivre

Laser visible Laser visible impulsionnelimpulsionnel de forte puissance moyenne de forte puissance moyenneMilieu amplificateurMilieu amplificateur : mélange de néon et de vapeur de cuivre : mélange de néon et de vapeur de cuivre

Longueurs d’onde : Longueurs d’onde : 510 nm510 nm (vert) et (vert) et 578 nm578 nm (jaune) (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 U235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné.

Lasers à gaz


Les lasers à Azote (NLes lasers à Azote (N22))

Lasers à gaz

Milieu Milieu amplificateuramplificateur : Azote gazeux, statique ou en : Azote gazeux, statique ou en fluxflux

Pompage électriquePompage électriqueEmission Emission dans l’UVdans l’UV (337.1 (337.1 nm)nm)

Uniquement pulsé (ns)Uniquement pulsé (ns)Laser bon marché, puissant (PLaser bon marché, puissant (Pcrêtecrête = = qql MW)qql MW)

Peu efficace (rendement = 0.1%)Peu efficace (rendement = 0.1%)

Effet laser obtenu à partir de l’Azote atmosphérique par décharge électrique :(Pas de cavité !)


Les lasers chimiquesLes lasers chimiques

Ex : le laser HF/DF Ex : le laser HF/DF (Hydrogène-Fluor ou Deuterium-Fluor)(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 anti-missile ou antisatellite).

Ex: laser MIRACL (US army) :

Aire faisceau = 14 cm2 et Puissance = 2,3 MW.

Lasers à gaz


““Application” des lasers chimiquesApplication” des lasers chimiques

• Lasers très volumineux, souvent “monocoup”

• application exclusivement militaire : destruction de missiles

Lasers à gaz


The “airborne laser program”The “airborne laser program”

Projet lancé par le Pentagone en 1996 pour se terminer…en 2006

En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental

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

Lasers à gaz







gaz


Les lasers excimèresLes lasers excimères

Ex : les lasers ArF, KrF, XeCl, XeF…Ex : les lasers ArF, KrF, XeCl, XeF…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

(principales raies à 157,193, 248, 308, 351 nm)

Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps)

Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique…

F2 ArF KrF XeFXeCl

Lasers à gaz


Différents types de Différents types de laserslasers





Le laser à ColorantLe 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.

Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon

Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant, produits toxiques…) et sont surtout utilisés pour la recherche

Colorant


Le laser à ColorantLe laser à Colorant

Colorant

Longueurs d’ondes accessibles avec différents colorants :

Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue avec un reseau intracavité par ex.







Les lasers SolidesLes lasers Solides 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 (Nd3+), titane Ti3+, ytterbium…- matrices hôtes sont variées : YAG (Y3Al5O12) et variantes, Verres,

Saphir…

Lasers Solides


Les lasers SolidesLes lasers Solides

Méthode CzochralskiCroissance des cristaux :

Lasers Solides

Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre


Le laser Nd:YAGLe laser Nd:YAG

Etat fondamental

Bandes depompage

4I9/2

4F3/2

4I15/2

4I13/2

4I11/2

4S3/2 -- 4F7/2

4F5/2 -- 3H9/2

0,73 µm0,808 µm

Niveaux d’énergie supérieure(peuplés par le pompage)

Niveaux d’énergie supérieure(métastable)

Décroissance rapide non radiative

1444 nm

1064 nm

946 nm

r = 240 µs

NdNd3+3+:Y:Y33AlAl55OO1212

Lasers Solides


Le laser Nd:YAGLe laser Nd:YAG

Pompage par lampe flash ou par diode laser(Lasers de forte puissance)

Lasers Solides


Pompage par flashPompage par flash

Barreau laser

source de tension

cavité réfléchissante

faisceau laser

lampe flashFlashs et barreaux aux foyers de 2

réflecteurs elliptiques

Lasers Solides


Le laser Ti:SaLe laser Ti:Sa

Principal laser solide accordablePrincipal laser solide accordable

TiTi3+3+: Al: Al22OO33

Lasers Solides


Pompage d’un laser Ti:SaPompage d’un laser Ti:Sa

Argon

Nd:YAG 2

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

Le rendement et la compacité totale sont donc médiocres

Spectre d’émission très large :

• Accordabilité étendue

• Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser à verrouillage de modes – limite théorique Ti-Sa = 4 fs) Lasers

Solides


Différents types de Différents types de laserslasers





PrincipePrincipeELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME

DES BANDES D’ENERGIEDES BANDES D’ENERGIE

bande pleine

bande de valence

ISOLANT

Eg=gap

bande de conduction

Ef

SEMICONDUCTEUR

kT~Eg

bande pleine

bande de valence

bande de conduction

Ef

METAL

bande pleine

bande de valence

bande de conduction

Diodes lasers


PrincipePrincipe

Si Si

Si

Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si V

Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

SiSi Si

Si Si

Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

III

électronsupplémentairemobile

semiconducteur dopé n

semiconducteur dopé p

électronmanquant

électronmanquant

trou mobile

=

excès d’électrons

déficit d’électrons

ou excès de trous

SEMICONDUCTEURSSEMICONDUCTEURSDOPÉSDOPÉS

Diodes lasers


PrincipePrincipe

STRUCTURE DE BANDES STRUCTURE DE BANDES

semiconducteurdopé p

semiconducteurdopé n

jonction

Bande deconduction

Bandede valence

Sans champ appliquéTension appliquée,

création d’un courantd’électrons et de trousémission de lumière

trous

électrons

recombinaison desélectrons et des trous

Photons

Ef, C

Ef, VEf

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 : GaAs, InGaAs, AlGaAs etc.


Grand Gap

Grand Gap

Petit Gap

d

PrincipePrincipe

DOUBLE HÉTÉROJONCTIONDOUBLE HÉTÉROJONCTION

d

« entonnoir à électrons »

•Confinement des photons

•Confinement des porteurs (électrons et trous)

Ind

ice

de

réfr

acti

on

GaAlAs GaAlAsGaAs

npetit gap > ngrand gap (dans la direction verticale. Horizontalement : ruban)

Diodes lasers


PrincipePrincipe

Puits quantiquesPuits quantiques

Croissance

AlSb AlSbInAs

25 Å

E1

E2

AlAs

GaAs

AlAs

V(z)

Position z

En

erg

y

Conduction bandquantum well

Valence bandquantum well

Diodes lasers


Diodes lasers

PrincipePrincipe

Principe : accoler deux materiaux différentsAttention : les paramètres de maille doivent être

compatibles !Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å

Le puits quantique est la brique de base

de l’ingénierie quantique

Le puits quantique est la brique de base

de l’ingénierie quantique

GaAs

Bande de Conduction

EG= 1.43eV

Bande de Valence

Bande de Conduction

AlAs

Bande de Valence

EG= 2.2eV

AlAsGaAs

AlAs

Puits quantique = double

héterostructure de petite taille (nm)

Puits quantique = double

héterostructure de petite taille (nm)


PrincipePrincipe

ARCHITECTURES DES DIODES LASERARCHITECTURES DES DIODES LASER

+

+

+

_

_

_

Métal

Métal

Métal

Métal

Métal

Métal

P

N

P

N

N N

N

P

n

coucheactivedopée p



SiO2

SiO2

Diodes lasers


TechnologieTechnologie

TECHNIQUE DE CROISSANCE : TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBEMBEEpitaxie par Jet Moléculaire

GaAsSubstrate

GaAsAlAs

High Vacuumchamber

Ga

Al

As

Diodes lasers


Propriétés des diodes laserPropriétés 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 mW à 200 mW avec un faisceau de même qualité qu’un laser

Pour des puissances > 200 mW : 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


PropriétésPropriétés

plan plan jonction jonction (axe « rapide »)(axe « rapide »)

limité par la diffraction : faisceau très limité par la diffraction : faisceau très divergent, profil gaussien divergent, profil gaussien

plan // jonction plan // jonction (axe « lent »)(axe « lent »)Selon le type de guidage réalisé et la Selon le type de guidage réalisé et la largeur de la couche activelargeur de la couche active

Faisceau elliptique & divergent

Profil spatial en champ lointainProfil spatial en champ lointain

Diodes lasers


PropriétésPropriétés

Couplage dans une fibre optiqueCouplage dans une fibre optique

vue de dessus du couplage direct d’une diode laser avec une fibre lentillée

Diodes lasers


Contrôle spectralContrôle spectral

AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉAFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ

Cavité externe

Distributed feedback (DFB)

Distributed Bragg Reflector (DBR)

Milieuactif

Traitement AR

Optique de collimation

Miroir de fond de cavité (réseau)

Milieuactif

Milieuactif

Mirroirde sortie

réseau

Miroir de fond de cavité (réseau)

Mirroirde sortie

Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopieDiodes lasers


Diodes de puissanceDiodes de puissanceDiodes 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 BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE

20 à 40 mono-émetteurs sur 1 cm de long, facteur de remplissage : 50 %

Puissance de 40 à 60 W continue à 808 nm (AlGaAs) ou entre 940 et 980 nm (InGaAs)

Divergence : 40 ° (direction perpendiculaire à la jonction, 1 µm)10 ° (direction parallèle à la jonction, 1 cm)M2 = 1000 (//) par 1 ( )

Emission très dissymétrique !!!

Pas de cohérence entre la lumière émise par chaque émetteur

Diodes lasers


Diodes de puissanceDiodes de puissanceBARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE

Assemblage de diodes laser émettant une puissance crête de 1.6 KW

Livermore (LLNL)Diodes lasers


Diodes de puissanceDiodes de puissance

OPTO POWER

Diode laser continue AlGaAs fibrée de 20 W@ 808 nm(base des lasers solides pompéspar diodes de Spectra Physics)

Diodes de puissance FIBREESDiodes de puissance FIBREES

Diodes lasers


Diodes de puissanceDiodes de puissance

Problème majeur : Augmentation de la puissance Baisse de la luminance

Figure de Mérite =puissance

surface émettrice x divergence

diode monomode spatial: 100 mW --> 40 MW/cm2.rd2

diode monomode spatial : 1W --> 400 MW/cm2.rd2

diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm) --> 10 MW/cm2.rd2

barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm) --> 1 MW/cm2.rd2

diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0,2) --> 100 kW/cm2.rd2

(laser CO2 de 1 kW --> 100 MW/cm2.rd2)

--> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux - pompage optique de lasers solides

= luminance (“brightness”, brillance)

Diodes lasers


Contrôle spatialContrôle spatial

Barrettes de diodes :Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique rayonnement très dissymétriqueRemise en forme Remise en forme du faisceaudu faisceau nécessairenécessaire

Lens duc

Stack de diodes InGaAs

Lentilles cylindriques de collimation

Deux Exemples : (il existe moultes autres méthodes)

Diodes lasers


ApplicationsApplications

Pour les diodes de faible puissance :Pour les diodes de faible puissance : Telecoms (Telecoms (λλ~1,55 µm)~1,55 µm) Spectroscopie (détection de polluants…)Spectroscopie (détection de polluants…) Lecteurs/graveurs de CD/DVDLecteurs/graveurs de CD/DVD Imprimantes LaserImprimantes Laser

Pour les diodes de forte puissance :Pour les diodes de forte puissance : Pompage des Pompage des Lasers SolidesLasers Solides

Diodes lasers


Une diode laser pour pomper un autre laser ?Une diode laser pour pomper un autre laser ?

Pourquoi ?Pourquoi ? Plus compact et plus fiablePlus compact et plus fiable

Plus efficacePlus efficace Recouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristalRecouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristal Rendement électrique/optique: jusqu’à 15% à la prise pour un laser solide Rendement électrique/optique: jusqu’à 15% à la prise pour un laser solide

pompé par diodepompé par diode

Faisceau “limité par diffraction” Faisceau “limité par diffraction” (i.e. que l’on peut focaliser sur la plus petite (i.e. que l’on peut focaliser sur la plus petite

surface théoriquement accessible : surface théoriquement accessible : λλ²)²)

Inconvénients :Inconvénients : Tous les matériaux solides ne sont pas « pompables » par diode : Tous les matériaux solides ne sont pas « pompables » par diode :

limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge autour de 1 limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge autour de 1 µm principalement)µm principalement)

Contrôle de la température nécessaireContrôle de la température nécessaire Assez cher !Assez cher !

Diodes lasers


Pompage par diodePompage par diode

Faisceau laser monomode transverse

Diodes de pompage multimodes spatiales

Milieu à gain

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)

Lasers Solides


Pompage par diodePompage par diode

Faible puissance

Forte puissance

Nd:YAG

Diode de pompage@ 808 nm

PolariseurPuissance de sortie : 0,5 W

Nd:YVO4Barette de diodelaser fibrée20 W @ 808 nm

Barette de diodelaser fibrée20 W @ 808 nm

Miroir Rmax

Miroir de sortieT = 18 %

Nd:YVO4 : plus forte absorption que le Nd:YAG

Gestion des effets thermiques !!!

P = 13 W cw, TEM00

Ppompe = 26W

Coherent

Spectra Physics

Lasers Solides


Pompage par diodePompage par diodeLE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES

(Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964)

Keyes and Quist

Fonctionnement à l’azote liquide (77°K)

Lasers Solides

Documents

Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Conditions doscillation Une condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour