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

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

2 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Milieu Amplificateur M1M1 M2M2 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/H Gainpertes G H Condition Gain = Pertes en régime stationnaire

3 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Milieu Amplificateur M1M1 M2M2 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/H Gainpertes G H Condition Gain = Pertes en régime stationnaire Les Bases

4 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Saturation du gain Intensité laser dans la cavité Pertes (1/H) G0G0 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 létablissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que lintensité « se construise » dans la cavité Avant létablissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que lintensité « se construise » dans la cavité Les Bases

5 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Et pourquoi le gain sature-t-il ? Non radiatif rapide POMPE Non radiatif rapide Effet laser (2) (1) (3) POMPE Faible intensité : inversion de population forte Forte intensité : chaque photon laser fait retomber un atome dans létat du bas : niveau du haut dépeuplé : N diminue ! N = N 2 – N 1 N = N 2 – N 1 Gain exp (. N.L) POMPE Non radiatif rapide Effet laser (2) (1) (3) POMPE Les Bases

6 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Saturation du Gain Les Bases En résumé : Le Gain G est proportionnel à linversion 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 R seuil N seuil Pompage Photons R seuil

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

8 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Tous monochromatiques ? Fonctionnement naturel Multimode ( Δν ~ 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 ~ 10 6 Hz Δλ ~ nm) Δν ex : Titane-saphir Δν = Hz Δλ ~ 300 nm

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

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

11 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord LEmission LASER Propriétés TEMPORELLES Propriétés TEMPORELLES Fonctionnements possibles : Régime Continu Régime Continu Régime impulsionnel : Régime impulsionnel : Durées : de la s à la femtoseconde ( s) Cadences : 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) P crete = P moyen /(cadence x durée) = 200 MW !! P moy P crête (densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~10 16 W/cm 2 ) Les Bases

12 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mode déclenché : Q-switch Principe: A ugmentation artificielle des pertes durant le pompage : Linversion de population et donc le gain sont maximisés. Le milieu amplificateur agit comme un réservoir dénergie. Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la cavité dans son état « normal » (pertes faibles). Loscillation sétablit rapidement et on a une impulsion brève et intense. Le processus est répété pour générer limpulsion suivante. Q-switch

13 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Temps t Pertes On sarrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité. Q-switch Évolution dun laser à mode déclenché Niveau haut Niveau bas

14 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Temps t Pertes Gain On pompe le milieu amplificateur jusquà ce que le gain approche les pertes. Q-switch Niveau haut Niveau bas Évolution dun laser à mode déclenché

15 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Temps t Pertes Gain On abaisse les pertes de façon quasi instantanée. Linversion de population est alors massive : le niveau supérieur, en se « vidant » brusquement, provoque la création dune impulsion géante. Évolution dun laser à mode déclenché Q-switch Niveau haut Niveau bas

16 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Temps t Pertes Gain Impulsion laser Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un niveau inférieur aux pertes : cest la fin de limpulsion … Évolution dun laser à mode déclenché Q-switch Q- switch applet

17 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 létablissement de loscillation dans la cavité. (2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au temps de vie du niveau supérieur. 2 >t s 2 >t s T p 2 (3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes pour ne pas avoir doscillations durant le pompage. (4) Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de façon quasi instantanée pour ne pas perdre dénergie emmagasinée. Q-switch

18 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le déclenchement Passif Utilisation dabsorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement Q-switch T I I T.I 1 Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)

19 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le déclenchement Passif Utilisation dabsorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement Donc : Pas dimpulsion materiau opaque pertes élevées Début dimpulsion materiau transparent pertes diminuent impulsion plus forte pertes diminuent encore… Le déclenchement se fait automatiquement, sans intervention exterieure autre que le pompage : Simple, économique Simple, économique Problème de contrôle des impulsions (jitter) Problème de contrôle des impulsions (jitter) Q-switch T I

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

21 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 limpulsion nest 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 dune impulsion courte nest donc pas monochromatique (transformation de Fourier) Mode-Lock

22 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Gain Modes longitudinaux Boundary Condition: Allowed Modes: Mode Distance: = const. Mode-Lock

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

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

25 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Addition de modes en phase Frequence Champ électrique total : Supposons les modes en phase et de même amplitude : ν0ν0 Additionnons N sinusoides de fréquences (pour le montrer : passer par les exponentielles complexes : cest une simple suite géométrique) Fréquence centrale Mode-Lock

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

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

28 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Verrouillage de modes Résumé : C/2L fréquence Pour faire des impulsions courtes il faut : - Beaucoup de modes (N grand) : matériau laser avec une large bande damplification (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 ΔνΔν Mode-Lock

29 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 leffet Kerr Regime continu (faible Intensité, n = constant) n = n 0 +n 2.I Fortes pertes ! diaphragme Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Mode-Lock

30 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 leffet Kerr Regime Pulsé, I très grand n = n 0 +n 2.I Pertes Faibles ! diaphragme Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Mode-Lock

31 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Exemple : le laser Titane-saphir Argon Nd:YAG 2 Δ λ ~ 400 nm ! (Δt theo ~5 fs) Laser pompé en continu (quelques W) avec un laser vert (argon à 488 nm ou Nd:YAG suivi dun 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) Ti 3+ : Al 2 O 3 Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il nexiste pas de diodes laser vertes de puissance)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

43 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser CO 2 Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Très grandes puissances possibles (100 kW CW) Très grandes puissances possibles (100 kW CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Lasers à gaz

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

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

46 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 donde : 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 luranium en isotope U235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné. Lasers à gaz

47 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à Azote (N 2 ) Lasers à gaz Milieu amplificateur : Azote gazeux, statique ou en flux Pompage électrique Emission dans lUV (337.1 nm) Uniquement pulsé (ns) Laser bon marché, puissant (P crête = qql MW) Peu efficace (rendement = 0.1%) Effet laser obtenu à partir de lAzote atmosphérique par décharge électrique : (Pas de cavité !)

48 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers chimiques Ex : le laser HF/DF (Hydrogène-Fluor ou Deuterium-Fluor) 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 (linversion 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 cm 2 et Puissance = 2,3 MW. Lasers à gaz

49 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

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

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

52 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les 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. Lexcitation (par decharge electrique) produit automatiquement une inversion de population (la population dans le niveau fondamental est par definition nulle !). Emission dans lUV (principales raies à 157,193, 248, 308, 351 nm) Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps) Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique … F2F2 ArFKrFXeFXeCl Lasers à gaz

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

54 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. 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

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

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

57 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les 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 (Nd 3+ ), titane Ti 3+, ytterbium… - matrices hôtes sont variées : YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) et variantes, Verres, Saphir… Lasers Solides

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

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

60 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

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

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

63 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage dun laser Ti:Sa Argon Nd:YAG 2 Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il nexiste 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 démission très large : Accordabilité étendue Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser à verrouillage de modes – limite théorique Ti-Sa = 4 fs) Lasers Solides

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

65 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES DENERGIE bande pleine bande de valence ISOLANT E g =gap bande de conduction EfEf SEMICONDUCTEUR kT~E g bande pleine bande de valence bande de conduction EfEf METAL bande pleine bande de valence bande de conduction Diodes lasers

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

67 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe STRUCTURE DE BANDES semiconducteur dopé p semiconducteur dopé n jonction Bande de conduction Bande de valence Sans champ appliqué Tension appliquée, création dun courant délectrons et de trous émission de lumière trous électrons recombinaison des électrons et des trous Photons E f, C E f, V EfEf 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.

68 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Grand Gap Petit Gap d Principe DOUBLE HÉTÉROJONCTION d « entonnoir à électrons » Confinement des photons Confinement des porteurs (électrons et trous) Indice de réfraction GaAlAs GaAs n petit gap > n grand gap (dans la direction verticale. Horizontalement : ruban) Diodes lasers

69 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe Puits quantiques Croissance AlSb InAs 25 Å Diodes lasers

70 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes lasers Principe Principe : accoler deux materiaux différents Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles ! Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å Le puits quantique est la brique de base de lingénierie quantique GaAs Bande de Conduction E G = 1.43eV Bande de Valence Bande de Conduction AlAs Bande de Valence E G = 2.2eV AlAs GaAs AlAs Puits quantique = double héterostructure de petite taille (nm)

71 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe ARCHITECTURES DES DIODES LASER __ _ Métal P N P N N N N P n couche active dopée p couche active dopée p couche active dopée p SiO 2 Diodes lasers

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

73 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Propriétés des diodes laser Section émettrice: de 1µm x 3µm (faible puissance) jusquà 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 quun laser Pour des puissances > 200 mW : faisceau + divergent quun 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 ( heures) Les Performances (seuil, longueur donde, efficacité, durée de vie) dépendent de la température Diodes lasers

74 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Propriétés plan jonction (axe « rapide ») 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 Profil spatial en champ lointain Diodes lasers

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

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

77 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance Diodes MONORUBAN : Lépaisseur 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 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) M 2 = 1000 (//) par 1 ( ) Emission très dissymétrique !!! Pas de cohérence entre la lumière émise par chaque émetteur Diodes lasers

78 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 Livermore (LLNL) Diodes lasers

79 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance OPTO POWER Diode laser continue AlGaAs fibrée de nm (base des lasers solides pompés par diodes de Spectra Physics) Diodes de puissance FIBREES Diodes lasers

80 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes 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/cm 2.rd 2 diode monomode spatial : 1W--> 400 MW/cm 2.rd 2 diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm)--> 10 MW/cm 2.rd 2 barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm)--> 1 MW/cm 2.rd 2 diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0,2) --> 100 kW/cm 2.rd 2 (laser CO 2 de 1 kW --> 100 MW/cm 2.rd 2 ) --> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux - pompage optique de lasers solides = luminance (brightness, brillance) Diodes lasers

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

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

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

84 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage 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

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

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


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