Les LASERS et leurs applications - II II.pdf · Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant, produits

Sébastien FORGETSébastien FORGETMaître de conférencesMaître de conférences

Laboratoire de Physique des LasersLaboratoire de Physique des LasersUniversité Université ParisParis--NordNord

Merci Merci àà SébastienSébastien ChenaisChenais (LPL, Paris(LPL, Paris--Nord)Nord)

Et Et àà Patrick Georges (Institut Patrick Georges (Institut d’Optiqued’Optique, Paris XI), Paris XI)

pour pour leurleur contribution contribution àà cece courscours..

Les LASERS et leurs Les LASERS et leurs applications applications -- IIII

Copyright Copyright –– Sébastien Sébastien ForgetForget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Plan général du coursPlan général du cours

I . Les I . Les principesprincipes de base de base dudu laserlaser

II . Les II . Les différentsdifférents types de laserstypes de lasers

III. Applications des lasers III. Applications des lasers continuscontinusStockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux

IV.IV. Les lasers Les lasers àà impulsions “impulsions “courtescourtes” (” (nanosecondenanosecondeet et leursleurs applicationsapplications

Exemple du Laser MegaJoule (CEA)

V . Les lasers V . Les lasers àà impulsions impulsions ultracourtesultracourtes ((psps, , fsfs))Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)


DeuxièmeDeuxième partiepartie

I . Les I . Les différentsdifférents types de lasertypes de laserLasers Lasers àà GazGazLasers Lasers àà liquidesliquides (Colorants)(Colorants)Lasers Lasers SolidesSolidesLes lasers Les lasers àà semisemi--conducteurconducteur et le et le pompagepompage par diodepar diode

L’OptiqueL’Optique NonNon--LinéaireLinéaire : : Comment Comment changer la changer la couleurcouleur d’un laser ?d’un laser ?






Les lasers à Les lasers à GazGaz

VViissiibblleeLaser à Argon Laser à Argon ioniséioniséLaser à Krypton Laser à Krypton ioniséioniséLaser HeLaser He--NeNe

InfrarougeInfrarougeLaser COLaser CO22

Lasers Lasers ChimiquesChimiques HFHF

UltravioletUltravioletLaser Laser ExcimèreExcimère

Lasers à gaz







Lasers à gaz


Le laser HeLe laser He--NeNe

Premier laser à Premier laser à gazgaz réaliséréalisé (JAVAN 1960)(JAVAN 1960)Principe : Principe : pompagepompage par par déchargedécharge électriqueélectrique+ + transferttransfert d’énergied’énergie entreentre l’Heliuml’Helium et le et le NéonNéon

1s

2s

3s

Lasers à gaz


Le laser HeLe laser He--NeNe

La transition la plus La transition la plus connueconnue estest à à 633 nm633 nmTrèsTrès utiliséeutilisée pour pour l’alignementl’alignement ((faiblefaible puissance)puissance)

TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW)Lasers à

gaz


Les lasers à Les lasers à gazgaz ioniséioniséMilieu Milieu actifactif = = gazgaz ioniséionisé ((ArAr, Kr…), Kr…)PompagePompage = = déchargedécharge électriqueélectrique

Argon : Argon : 364 nm364 nm, , 488 nm488 nm, , 514 nm514 nm

Krypton : Krypton : 647 nm 647 nm (+ (+ autresautres raiesraies visiblesvisibles))

Lasers à gaz


Les lasers à Les lasers à gazgaz ioniséioniséFortes Fortes puissancespuissances possiblespossibles (20 W CW (20 W CW classiqueclassique))

RefroidissementRefroidissement par eau (fortes par eau (fortes puissancespuissances) ) ououpar airpar airEncombrantsEncombrants et et rendementrendement electriqueelectrique--optiqueoptiquefaiblefaible (<0,01%)(<0,01%)

Refroidissement par eau Refroidissement par airLasers à

gaz


Les lasers à Les lasers à gazgaz ioniséioniséArgon : Argon : 364 nm364 nm, , 488 nm488 nm, , 514 nm514 nmKrypton : Krypton : 647 nm 647 nm (+ (+ autresautres raiesraies visiblesvisibles))

UtilisésUtilisés par par exempleexemple pour les shows laserpour les shows laser

ArgonArgon + Krypton

Lasers à gaz







Lasers à gaz


Le laser COLe laser CO22

MoyenMoyen IR (9.6 et 10.6 µm)IR (9.6 et 10.6 µm)TrèsTrès grandesgrandes puissancespuissances possiblespossibles (100 kW CW)(100 kW CW)Marché Marché industrielindustriel énormeénorme : : découpe/souduredécoupe/souduredes des matériauxmatériaux

Lasers à gaz



Transition Transition entreentre 2 2 niveauxniveaux vibrationnelsvibrationnels de la de la moléculemolécule de COde CO22

PompagePompage par par déchargedécharge électriqueélectrique ouou RF 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 énergie (5 eVeV))

Lasers à gaz



Lasers à gaz


Les lasers à Les lasers à vapeurvapeur de de cuivrecuivre

Laser visible Laser visible impulsionnelimpulsionnel de forte puissance moyennede 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 Les lasers à AzoteAzote (N(N22))

Lasers à gaz

Milieu Milieu amplificateuramplificateur : : AzoteAzote gazeuxgazeux, , statiquestatique ouou en fluxen flux

PompagePompage électriqueélectrique

Emission Emission dansdans l’UVl’UV (337.1 nm)(337.1 nm)

UniquementUniquement pulsépulsé (ns)(ns)

Laser bon Laser bon marchémarché, puissant (, puissant (PPcrêtecrête = = qqlqql MW)MW)

PeuPeu efficaceefficace ((rendementrendement = 0.1%)= 0.1%)

Effet laser obtenu à partirde l’Azote atmosphériquepar décharge électrique :(Pas de cavité !)


Les lasers Les lasers chimiqueschimiques

Ex : le laser HF/DF Ex : le laser HF/DF ((HydrogèneHydrogène--FluorFluor ouou DeuteriumDeuterium--FluorFluor))

L’ inversion de population est produite, par une réaction chimiqueexothermique dans le milieu amplificateur.

Ces réactions produisent des molécules excitées (l’inversion de population estdonc 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 Application” des lasers chimiqueschimiques

• 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







Lasers à gaz


Les lasers Les lasers excimèresexcimères

Ex : les lasers Ex : les lasers ArFArF, , KrFKrF, , XeClXeCl, , XeFXeF……Ces excimères (excited dimers) ont des états excités stables et des étatsfondamentaux instables.

L’excitation (par decharge electrique) produit automatiquement uneinversion 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






Le laser à ColorantLe laser à ColorantLe 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 accessiblesavec différents colorants :

Accordabilité (pour un colorant donné) obtenueavec un reseau intracavitépar ex.






Les lasers Les lasers SolidesSolidesDéfinition: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 Les lasers SolidesSolides

Méthode CzochralskiCroissance des cristaux :

Lasers Solides

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


Le laser Le laser Nd:YAGNd:YAG

Etat fondamental

Bandes depompage

4I9/2

4F3/2

4I15/24I13/24I11/2

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 rapidenon radiative

1444 nm

1064 nm946 nm

τr = 240 µs

NdNd3+3+:Y:Y33AlAl55OO1212

Lasers Solides


Le laser Le laser Nd:YAGNd:YAG

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

Lasers Solides


PompagePompage par flashpar 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 Principal laser solidesolide accordableaccordable

TiTi3+3+: Al: Al22OO33

Lasers Solides


PompagePompage d’un laser Ti:Sad’un laser Ti:Sa

Argon

Nd:YAG 2ω

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 compacitétotale 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






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

troumobile

=

excès d’électrons

déficit d’électrons

ou excès de trous

SEMICONDUCTEURSSEMICONDUCTEURSDOPÉSDOPÉS

Diodes lasers


PrincipePrincipeSTRUCTURE 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 tro

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 GapPetit Gap

d

PrincipePrincipeDOUBLE 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


PrincipePrincipePuits quantiquesPuits quantiques

Croissance

AlSb AlSbInAs

E1

E2

AlAs

GaAs

AlAs

V(z)

Position zE

nerg

y

Conduction bandquantum well

Valence bandquantum well

Diodes lasers


Diodes lasers

PrincipePrincipePrincipe : 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

l’ingénierie quantique

GaAsBande 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)


PrincipePrincipeARCHITECTURES 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


PropriétésPropriétés des diodes laserdes diodes laserSection 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 «(axe « rapiderapide »)»)limité par la diffraction : faisceau très limité par la diffraction : faisceau très divergent, profil gaussien divergent, profil gaussien

plan plan //// jonction jonction (axe «(axe « lentlent »)»)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

δθ⊥ = 2λπd

≅ 30°

δθ// ≅ 10°Faisceau elliptique & divergent

Profil spatial en champ lointainProfil spatial en champ lointain

Diodes lasers


PropriétésPropriétésCouplage dans une fibre optiqueCouplage dans une fibre optique

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

Diodes lasers


ContrôleContrôle spectralspectralAFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉAFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ

Cavité externe

Distributed feedback (DFB)

Distributed Bragg Reflector (DBR)

Milieuactif

TraitementAR

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 µmProblème : 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) ouentre 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 puissanceBaisse de la luminance

Figure de Mérite = puissancesurface 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


ContrôleContrôle spatialspatialBarrettes de diodes :Barrettes de diodes : rayonnementrayonnement trèstrès dissymétriquedissymétriqueRemise en Remise en formeforme dudu faisceaufaisceau nécessairenécessaire

Lens duc

Stack de diodes InGaAs

Lentilles cylindriquesde collimation

Deux Exemples : (il existemoultes autres méthodes)

Diodes lasers


ApplicationsApplications

Pour les diodes de Pour les diodes de faiblefaible puissance :puissance :Telecoms (Telecoms (λλ~1,55 µm)~1,55 µm)SpectroscopieSpectroscopie ((détectiondétection de de polluantspolluants…)…)Lecteurs/graveursLecteurs/graveurs de CD/DVDde CD/DVDImprimantesImprimantes LaserLaser

Pour les diodes de forte puissance :Pour les diodes de forte puissance :PompagePompage des des Lasers Lasers SolidesSolides

Diodes lasers


UneUne diode laser pour diode laser pour pomperpomper un un autreautre laser ?laser ?

PourquoiPourquoi ??Plus compact et plus Plus compact et plus fiablefiable

Plus Plus efficaceefficaceRecouvrementRecouvrement spectrespectre diode/diode/bandesbandes d’absorptiond’absorption dudu cristalcristalRendementRendement électrique/optiqueélectrique/optique: : jusqu’àjusqu’à 15% 15% àà la la priseprise pour un laser pour un laser solidesolide pompépompé par diodepar diode

FaisceauFaisceau ““limitélimité par diffraction” par diffraction” (i.e. (i.e. queque l’onl’on peutpeut focaliserfocaliser sursur la plus la plus petite surface petite surface théoriquementthéoriquement accessible : accessible : λλ²)²)

Inconvénients :Inconvénients :Tous les matériaux solides ne sont pas «Tous les matériaux solides ne sont pas « pompablespompables » par » par diode : limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge diode : limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge autour de 1 µm principalement)autour de 1 µm principalement)Contrôle de la température nécessaireContrôle de la température nécessaireAssez cher !Assez cher !Diodes

lasers


PompagePompage par diodepar diode

Faisceau laser monomode transverse

Diodes de pompage multimodes spatiales

Milieu à gain

Système diode + Laserun convertisseur de mode spatial

- pompe multimode transverse --> émission monomodeun convertisseur de fréquence

- transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage)

Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodeFaible 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


PompagePompage par diodepar 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



Pompage longitudinal

Pompage transverse

Diode depompe Miroirs de la cavité

Cristal

Cristal : barreau (rod) ou plaque (slab)

CONFIGURATIONS DE POMPAGECONFIGURATIONS DE POMPAGE

- bon recouvrement entre le faisceau de pompe et le faisceau intracavité

- faisceau de bonne qualité spatiale- diode de pompage de forte luminance- la puissance de pompe est limitée - seuil de dommage des faces d’entrée

- diodes de pompage de forte puissance ou énergie - meilleur gestion de la thermique- diode de pompage de faible luminance- faisceau de moins bonne qualité

Diode de pompe

Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodeExemple d’architecture:

Nd:YAG

Diode de pompage@ 808 nm

PolariseurPuissance de sortie : 0,5 W à 1064 nm

Coherent

Lasers Solides

lentille

Exemples de pompage longitudinal(le faisceau de diode et le faisceaulaser sont colinéaires)

Exemple de pompagetransverse (le barreau estpompé de côté : pour les lasers de puissance)




Un exemple d’application : Un exemple d’application : les les MicrolasersMicrolasersPrincipe : les miroirs de la cavité sont déposés directement sur le cristal

• pas d’alignement et des désalignement de la cavité• assemblage monolithique• possibilité de fonctionnement monomode

Miroirs de la cavitéEntrée HT @ 808 nm, HR @ 1064 nmSortie HR @ 808 nm, T= 5 % @ 1064 nm

Cristal : Nd:YAG (qql mm)

Diode depompage @ 808 nm

faisceau à 1,064 µm


Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodeUn exemple d’application : Un exemple d’application : les les MicrolasersMicrolasers

Substrat de Nd:YAGΦ= 25 mm, 0,5 - 1,5 mmPolissage

Épitaxie en phase liquide d’unecouche de Cr4+:YAG100 - 150 µm

Polissage du Cr4+:YAG, 30 - 50 µm

Dépots des miroirs

Découpage des microlasers 1 x 1 mm2 Production de masse : Bas coût

> 200 microlasers sur un substrat de 1 poucede diamètre (25,4 mm)


Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodeMicrolaser Microlaser impulsionnelimpulsionnel

Cristal : Nd:YAG

Diode depompage @ 808 nm

faisceau à 1,064 µm

Absorbant saturableCr4+:YAG (30-50 µm)

Volume total : 1mm3

Application : pointeurs lasers verts


Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodePompage longitudinal

Système RGB :Lasers Solides


PompagePompage par diodepar diodePompage transverse Un exemple d’application Un exemple d’application

Pour le développement de lasers Nd:YAG de forte puissance pompés par des barettes ou des stacks

Pompage

configuration “zigzag” plaque pour les stacks

Gestion de la thermique(homogénéisation)miroir de

fond de cavitéMiroirde sortiePompage

Barreau (adapté aux barettes)

1. barreau Nd:YAG2. faisceau laser3. miroir de sortie4. barette de diodes5. optique de collimation6. miroir Rmax7. refroidissement8. alimentation électrique

Lasers Solides



UltraUltra--forte forte puissancespuissances : configuration MOPA: configuration MOPA(Master Oscillator-Power Amplifier)

Laser “infinity” de Coherent®

Lasers Solides



UltraUltra--forte forte puissancespuissances : configuration MOPA: configuration MOPA

Laser solide pompépar diode

Isolateur optique(rotateur de Faraday)

AmplificateurOptique de conjugaisondes deux barreaux de Nd:YAG

Miroir à conjugaisonde phase

Cristaux non linéaires

(BaB2O4)

Lasers Solides



UltraUltra--forte forte puissancespuissances : configuration MOPA: configuration MOPA(Master Oscillator-Power Amplifier)

Lasers Solides



Le “Thin disc laser” Le “Thin disc laser” ouou disquedisque mincemince

-Pompage « recyclé » :Multiple-réflexions pour le faisceau

de pompe dans le cristal - Cristal mince pour un refroidissement

efficace

Brevet de l’Université de Stuttgart

Miroirs de la cavité

Bundle dediodes fibrées

Cristal Yb:YAGet refroidissementà basse T°

Miroir plan

Miroirs Sphériques pour la pompe

Lasers Solides


Les Lasers à Les Lasers à fibrefibre

Le Le milieu milieu amplificateuramplificateur estest uneune fibrefibreoptiqueoptique dopéedopée avec des ions avec des ions terresterres raresrares(Erbium et/(Erbium et/ouou Ytterbium Ytterbium essentiellementessentiellement))

CompacitéCompacité, , souplessesouplesse, , robustesserobustesse

La La cavitécavité peutpeut êtreêtre trèstrès longuelongueRépartitionRépartition des des effetseffets thermiquesthermiquesFortes Fortes puissancespuissances avec avec bonnebonne qualitéqualité spatialespatiale

λs λsλpPompe

Oscillation à λs

Lasers Solides



Cavité: Miroirs type Bragg

Fibre optique

Excitation UV extérieure(Ex : Laser Excimere, cf plus loin)

n

Masque de phaseMiroir basé sur un principe interférentiel

Très sélectif en longueur d’onde

Lasers Solides


Lasers Solides


Problème : Limitent la puissance accessible avec unebonne qualité spectrale

Avantage : Nouvelles longueurs d’ondes Laser Raman

Effets Non-Linéaires : très présents car les densités de puissance sont fortes (diamètre fibre = qql µm)

Effet Raman décalage de la λ de ∆λ

Laser dans la fibre

Milieu amplificateur: Fibre dopée au phosphore

3 stokes en cascade

λs1

λs1

λs2

λs2

λp

λs3

λs3

100% 100% 80%100% 100% 100% 100%

Ex :



Le pompage : Comment injecter une diode de puissance (multimode) dans une fibre optique monomode ?

Une solution : fibre à double coeur

Fibre silice dopée Ybmonomode

Gaine polymère bas indice

Gaine silice haut indicePolymère

Fortes puissances possibles !

Le Futur : fibres photoniques…Lasers Solides






OptiqueOptique NON NON linéairelinéaire

ONL


OrigineOrigine de la de la nonlinéariténonlinéarité

Les Les électronsélectrons des des atomesatomes oscillentoscillent àà la la fréquencefréquencedudu champ champ électriqueélectrique de de l’ondel’onde

Les Les électronsélectrons en en mouvementmouvement rayonnentrayonnent un champ un champ ((commecomme uneune antenneantenne) de ) de mêmemême fréquencefréquence : : phénomènesphénomènes de propagation, de propagation, réfractionréfraction, , diffusion… diffusion… usuelsusuels

SiSi les les électronsélectrons sontsont “trop “trop secouéssecoués” (par un champ ” (par un champ intense), le intense), le déplacementdéplacement dudu centre de masse centre de masse dudunuagenuage électroniqueélectronique n’estn’est plus plus sinusoïdalsinusoïdal ((commecommeun un ressortressort qu’onqu’on a a tirétiré trop fort) : trop fort) : ilil apparaitapparait des des fréquencesfréquences nouvellesnouvelles dansdans le champ le champ rayonnérayonné par par l’atomel’atome

(par ex (par ex iciici dansdans un un cristalcristal non non centrosymétriquecentrosymétriqueoùoù le le déplacementdéplacement dudu nuagenuage nene se fait plus de se fait plus de façonfaçon symétriquesymétrique))

Nuageélectronique

noyau

-

noyau-

ONL


En En pratiquepratique•Très utilisé pour convertir le rayonnement infrarouge (très facile àobtenir) en rayonnement visible et UV (pas de cristaux émettantdirectement dans l’UV) : la plupart des lasers solides visibles et UV ducommerce sont en fait des lasers infrarouges suivis de cristaux non-linéaires

Ex : les pointeurs laser verts

ONL


AutresAutres applicationsapplications

Système RGB (laser rouge, vert, bleu) pour le cinéma ou la télévision laser :

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