Conditions d’oscillation Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients : 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) Pertes = Rmiroirs + pertes intrinsèques (diffusion, diffraction…) Une condition sur la phase : résonance Un élément stabilisateur : la saturation du gain Les Bases

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 4 0.25 Gain pertes G H Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie : Milieu Amplificateur R=25% R=100% G=2 G M1 M2 Les Bases

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 4 0.25 Gain pertes G H Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie : Milieu Amplificateur R=25% R=100% G=2 G M1 M2 Les Bases

Saturation du gain Avant l’établissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que l’intensité « se construise » dans la cavité 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. Gain G0 G(I) Pertes (1/H) I Intensité laser dans la cavité Les Bases

Et pourquoi le gain sature-t-il ? POMPE Non radiatif rapide Effet laser (2) (1) (3) (3) Non radiatif rapide (2) POMPE POMPE Effet laser (1) Non radiatif rapide 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 = N2 – N1 Gain  exp (.N.L) Les Bases

Saturation du Gain En résumé : N Photons Nseuil Rseuil Pompage 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 Rseuil Pompage Rseuil Pompage Les Bases

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

Tous monochromatiques ? Fonctionnement naturel Multimode (Δν ~ 1010 Hz → Δλ ~ 0,01 nm) Δν Fonctionnement monomode (pertes sélectives favorisant UN SEUL mode) Ex : lasers pour la métrologie / télécom optiques A 0 Δν (Δν ~ 106 Hz → Δλ ~ 10-6 nm) Fonctionnement fortement multimode : lasers NON monochromatiques ex : Titane-saphir Δν = 4.1014 Hz → Δλ ~ 300 nm Δν Les Bases

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

Plan général du cours I . Les principes de base du laser Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation II . Fonctionnement des lasers 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 Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes IV. Les différents lasers et leurs applications Liquides Gazeux Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Quelques notions d’Optique non-lineaire Exemples d’applications

L’Emission LASER Propriétés TEMPORELLES Fonctionnements possibles : Régime Continu Régime impulsionnel : Durées : de la s à la femtoseconde (10-15 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) → Pcrete = Pmoyen/(cadence x durée) = 200 MW !! (densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~1016 W/cm2) Pmoy Pcrête Les Bases

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

Évolution d’un laser à mode déclenché Niveau haut Pertes Niveau bas Temps t On s’arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité. Q-switch

Évolution d’un laser à mode déclenché Niveau haut Niveau bas Pertes Gain Temps t On pompe le milieu amplificateur jusqu’à ce que le gain approche les pertes. Q-switch

Évolution d’un laser à mode déclenché Niveau haut Pertes Gain Niveau bas Temps t 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

Évolution d’un laser à mode déclenché Impulsion laser Pertes Q-switch 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

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) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au temps de vie du niveau supérieur. 2>ts 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

Le déclenchement Passif Utilisation d’absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement T I I T.I 1 Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) Q-switch

Le déclenchement Passif Utilisation d’absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement 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

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 Cadence : de quelques Hz à 100 kHz Q-switch

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

Modes longitudinaux = const. http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/Baumert2.ppt Gain Boundary Condition: Allowed Modes: Mode Distance: = const. Mode-Lock

Le verrouillage de modes Mode-Lock

Le verrouillage de modes Mode-Lock

Addition de modes en phase Additionnons N sinusoides de fréquences I n t e s i y Champ électrique total : Supposons les modes en phase et de même amplitude : ν0 Frequence (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 phase battements Puissance crête : Durée des impulsions : Nombre de modes Écart entre deux modes Mode-Lock

Le verrouillage de modes Mode-Lock

Verrouillage de modes Δν 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 Mode-Lock

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 = n0+n2.I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime continu (faible Intensité, n = constant) Fortes pertes ! diaphragme Mode-Lock

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 = n0+n2.I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime Pulsé, I très grand Pertes Faibles ! diaphragme Mode-Lock

Exemple : le laser Titane-saphir Argon Nd:YAG 2 Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes laser vertes de puissance) 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) Ti3+: Al2O3

Plan général du cours I . Les principes de base du laser Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation II . Fonctionnement des lasers 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 Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes IV. Les différents lasers et leurs applications Liquides Gazeux Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Quelques notions d’Optique non-lineaire Exemples d’applications

Différents types de lasers 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

Différents types de lasers 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 ?

Les lasers à Gaz Visible Infrarouge Ultraviolet Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet Laser Excimère Lasers à gaz

Les lasers à Gaz Visible Infrarouge Ultraviolet Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet Laser Excimère Lasers à gaz

Le laser He-Ne Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960) Principe : pompage par décharge électrique + transfert d’énergie entre l’Helium et le Néon 3s 2s 1s Lasers à gaz

Le laser He-Ne La transition la plus connue est à 633 nm Très utilisée pour l’alignement (faible puissance) TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW) Lasers à gaz

Les lasers à gaz ionisé Milieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…) Pompage = décharge électrique Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) Lasers à gaz

Les lasers à gaz ionisé 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 Refroidissement par air Lasers à gaz

Les lasers à gaz ionisé Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) Utilisés par exemple pour les shows laser Argon Argon + Krypton Lasers à gaz

Les lasers à Gaz Visible Infrarouge Ultraviolet Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet Laser Excimère Lasers à gaz

Le laser CO2 Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Très grandes puissances possibles (100 kW CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Lasers à gaz

Le laser CO2 Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la molécule de CO2 Pompage par décharge électrique ou RF Excitation des molécules de CO2 Collisions avec les molécules de N2 Collisions inélastiques avec des électrons de faible énergie (5 eV) Lasers à gaz

Le laser CO2 Lasers à gaz

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 U235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné. Lasers à gaz

Les lasers à Azote (N2) 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%) Effet laser obtenu à partir de l’Azote atmosphérique par décharge électrique : Lasers à gaz (Pas de cavité !)

Les lasers chimiques 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 anti-missile ou antisatellite). Ex: laser MIRACL (US army) : Aire faisceau = 14 cm2 et Puissance = 2,3 MW. Lasers à gaz

“Application” des lasers chimiques Lasers très volumineux, souvent “monocoup” application exclusivement militaire : destruction de missiles Lasers à gaz

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 En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental Lasers à gaz

Les lasers à Gaz Visible Infrarouge Ultraviolet Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet Laser Excimère Lasers à gaz

Les lasers excimères 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) F2 ArF KrF XeCl XeF Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique… Lasers à gaz

Différents types de lasers 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 ?

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

Le laser à Colorant Longueurs d’ondes accessibles avec différents colorants :                                                                 Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue avec un reseau intracavité par ex. Colorant

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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 (Nd3+), titane Ti3+, ytterbium… matrices hôtes sont variées : YAG (Y3Al5O12) et variantes, Verres, Saphir… Lasers Solides

Les lasers Solides Croissance des cristaux : Méthode Czochralski Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre Lasers Solides

Le laser Nd:YAG Nd3+:Y3Al5O12 4S3/2 -- 4F7/2 4F5/2 -- 3H9/2 Bandes de Niveaux d’énergie supérieure (peuplés par le pompage) 4S3/2 -- 4F7/2 Décroissance rapide non radiative 4F5/2 -- 3H9/2 Niveaux d’énergie supérieure (métastable) Bandes de pompage 4F3/2 r = 240 µs 0,73 µm 0,808 µm 4I15/2 1444 nm 4I13/2 1064 nm 4I11/2 946 nm 4I9/2 Etat fondamental Lasers Solides

Le laser Nd:YAG Pompage par lampe flash ou par diode laser (Lasers de forte puissance) Lasers Solides

Pompage par flash cavité réfléchissante Barreau laser faisceau laser Flashs et barreaux aux foyers de 2 réflecteurs elliptiques lampe flash source de tension Lasers Solides

Le laser Ti:Sa Principal laser solide accordable Ti3+: Al2O3 Lasers Solides

Pompage 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

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ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES D’ENERGIE Principe ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES 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 bande de conduction  bande de valence bande pleine METAL Diodes lasers

SEMICONDUCTEURS DOPÉS Principe SEMICONDUCTEURS DOPÉS Si Si Si Si électron supplémentaire mobile Si V Si Si excès d’électrons Si Si Si Si Si semiconducteur dopé n Si Si Si Si déficit d’électrons ou excès de trous Si III Si Si électron manquant Si Si Si Si électron manquant trou mobile = Diodes lasers semiconducteur dopé p

d’électrons et de trous Principe STRUCTURE DE BANDES Tension appliquée, création d’un courant d’électrons et de trous émission de lumière Sans champ appliqué semiconducteur dopé p jonction semiconducteur dopé n recombinaison des électrons et des trous Bande de conduction Ef, C électrons Ef Ef, V trous Photons Bande de valence 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. Diodes lasers

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 d « entonnoir à électrons » d Indice de réfraction GaAlAs GaAs Diodes lasers

Principe Puits quantiques Croissance AlSb InAs 25 Å Diodes lasers

Principe Principe : accoler deux materiaux différents Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles ! Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å AlAs GaAs Bande de Conduction E G = 1.43eV Bande de Valence Bande de Conduction AlAs GaAs E = 2.2eV G Bande de Valence Puits quantique = double héterostructure de petite taille (nm) Le puits quantique est la brique de base de l’ingénierie quantique Diodes lasers

ARCHITECTURES DES DIODES LASER Principe ARCHITECTURES DES DIODES LASER + Métal couche active dopée p couche active dopée p + Métal + SiO2 Métal P SiO2 couche active dopée p N P N N _ Métal P N n N _ _ Métal Métal Diodes lasers

Technologie TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE Epitaxie par Jet Moléculaire Diodes lasers

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 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

Propriétés plan  jonction (axe « rapide ») Profil spatial en champ lointain plan  jonction (axe « rapide ») limité par la diffraction : faisceau très divergent, profil gaussien plan // jonction (axe « lent ») Selon le type de guidage réalisé et la largeur de la couche active Faisceau elliptique & divergent Diodes lasers

Propriétés Couplage dans une fibre optique Diodes lasers vue de dessus du couplage direct d’une diode laser avec une fibre lentillée Diodes lasers

Contrôle spectral AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ Diodes lasers Cavité externe Distributed feedback (DFB) Distributed Bragg Reflector (DBR) Milieu actif Traitement AR Optique de collimation Miroir de fond de cavité (réseau) Mirroir de sortie réseau Diodes lasers Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie

BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE 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 (AlGaAs) ou entre 940 et 980 nm (InGaAs) 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) M2 = 1000 (//) par 1 ( ) Emission très dissymétrique !!! Diodes lasers

BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE 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)

Diodes de puissance FIBREES OPTO POWER Diode laser continue AlGaAs fibrée de 20 W @ 808 nm (base des lasers solides pompés par diodes de Spectra Physics) Diodes lasers

Diodes de puissance Problème majeur : Augmentation de la puissance Baisse de la luminance Figure de Mérite = puissance surface émettrice x divergence = luminance (“brightness”, brillance) 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 Diodes lasers

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 InGaAs Lentilles cylindriques de collimation Diodes lasers

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

Une diode laser pour pomper un autre laser ? Pourquoi ? Plus compact et plus fiable Plus efficace Recouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristal 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) Inconvénients : 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) Contrôle de la température nécessaire Assez cher ! Diodes lasers

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) Faisceau laser monomode transverse Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Lasers Solides

Pompage par diode Faible puissance Forte puissance Coherent Polariseur Nd:YAG Puissance de sortie : 0,5 W Diode de pompage @ 808 nm Forte puissance Spectra Physics Miroir Rmax P = 13 W cw, TEM00 Ppompe = 26W Nd:YVO4 : plus forte absorption que le Nd:YAG Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Nd:YVO4 Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir de sortie T = 18 % Gestion des effets thermiques !!! Lasers Solides

Pompage par diode LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES Keyes and Quist Fonctionnement à l’azote liquide (77°K) (Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964) Lasers Solides