Les LASERS et leurs applications - II Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris-Nord Merci à Sébastien Chenais (LPL, Paris-Nord) Et à Patrick Georges (Institut d’Optique, Paris XI) pour leur contribution à ce cours. Plan général du cours z I . Les principes de base du laser z II . Les différents types de lasers z III. Applications des lasers continus Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux z IV. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) z V . Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à Gaz z Visible z z z z Infrarouge z z z Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet z Laser Excimère Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à Gaz z Visible z z z z Infrarouge z z z Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet z Laser Excimère Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser He-Ne z z 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser He-Ne z La transition la plus connue est à 633 nm z Lasers à gaz Très utilisée pour l’alignement (faible puissance) TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à gaz ionisé Milieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…) z Pompage = décharge électrique z zArgon : 364 nm, 488 nm, 514 nm zKrypton Lasers à gaz : 647 nm (+ autres raies visibles) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à gaz ionisé z z z Fortes puissances possibles (20 W CW classique) Refroidissement par eau (fortes puissances) ou par air Encombrants et rendement electrique-optique faible (<0,01%) Refroidissement par eau Lasers à gaz Refroidissement par air Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à gaz ionisé Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm z Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) z Utilisés par exemple pour les shows laser z Argon Lasers à gaz Argon + Krypton Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à Gaz z Visible z z z z Infrarouge z z z Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet z Laser Excimère Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser CO2 z z z 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser CO2 z z z Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la molécule de CO2 Pompage par décharge électrique ou RF Excitation des molécules de CO2 z z Lasers à gaz Collisions avec les molécules de N2 Collisions inélastiques avec des électrons de faible énergie (5 eV) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser CO2 Lasers à gaz Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à vapeur de cuivre Laser visible impulsionnel de forte puissance moyenne Milieu amplificateur : mélange de néon et de vapeur de cuivre Longueurs d’onde : 510 nm (vert) et 578 nm (jaune) Application : pompage de lasers à colorant pour le procédé SILVA (Séparation Isotopique par Laser en Vapeur Atomique)du CEA (enrichissement de l’uranium en isotope U235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné. Lasers à gaz Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord 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%) Lasers à gaz Effet laser obtenu à partir de l’Azote atmosphérique par décharge électrique : (Pas de cavité !) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers chimiques z 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord The “airborne laser program” But : détruire les missiles le plus tôt possible après leur lancement - 7 Boeing 747 équipés (un laser chimique + lasers de pointé), 5 en vol en permanence Projet lancé par le Pentagone en 1996 pour se terminer…en 2006 Lasers à gaz En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers à Gaz z Visible z z z z Infrarouge z z z Lasers à gaz Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Laser CO2 Lasers Chimiques HF Ultraviolet z Laser Excimère Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers excimères z 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 F2 ArF KrF XeCl XeF (principales raies à 157,193, 248, 308, 351 nm) Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps) Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique… Lasers à gaz Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser à Colorant Le milieux actif est un colorant organique fluorescent, en solution dans un liquide. Le pompage se fait optiquement (par un autre laser) - intérêt majeur : ils sont accordables. - Tout le spectre visible peut être balayé par des lasers à colorant. Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant, produits toxiques…) et sont surtout utilisés pour la recherche Colorant Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser à Colorant Longueurs d’ondes accessibles avec différents colorants : Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue avec un reseau intracavité par ex. Colorant Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers Solides z 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les lasers Solides Croissance des cristaux : Méthode Czochralski Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser Nd:YAG Nd3+:Y3Al5O12 4S 3/2 Niveaux d’énergie supérieure (peuplés par le pompage) -- 4F7/2 4F 5/2 Décroissance rapide non radiative -- 3H9/2 Bandes de pompage 4F 0,73 µm 4I 9/2 Lasers Solides Niveaux d’énergie supérieure (métastable) 3/2 τr = 240 µs 0,808 µm 4I 15/2 4I 13/2 4I 11/2 1444 nm 1064 nm 946 nm Etat fondamental Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par flash cavité réfléchissante Barreau laser faisceau laser lampe flash Flashs et barreaux aux foyers de 2 réflecteurs elliptiques source de tension Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Le laser Ti:Sa z Principal laser solide accordable Ti3+: Al2O3 Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage d’un laser Ti:Sa Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes laser vertes de puissance) Nd:YAG 2ω Pompage par un autre laser : Argon ou laser solide doublé en fréquence Argon Le rendement et la compacité totale sont donc médiocres Spectre d’émission très large : Lasers Solides • Accordabilité étendue • Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser à verrouillage de modes – limite théorique Ti-Sa = 4 fs) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES D’ENERGIE bande de conduction bande de conduction Eg=gap Ef Ef { bande de valence bande de valence bande de valence bande pleine bande pleine bande pleine ISOLANT Diodes lasers kT~Eg bande de conduction SEMICONDUCTEUR } METAL Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe SEMICONDUCTEURS DOPÉS électron supplémentaire mobile Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si électron = trou manquant mobile Diodes lasers Si Si Si Si Si V Si Si Si Si Si Si excès d’électrons semiconducteur dopé n Si Si Si III Si Si Si électron manquant Si Si Si déficit d’électrons Si ou excès Si de trous semiconducteur dopé p Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe STRUCTURE DE BANDES Tension appliquée, création d’un courant d’électrons et de trous émission de lumière Sans champ appliqué semiconducteur jonction dopé p semiconducteur dopé n recombinaison des électrons et des tro Bande de conduction Ef, C électrons Ef Ef, V trous Photons Bande de valence Diodes lasers Le silicium massif ne peut pas émettre de lumière (SC à gap indirect) : les SC utilisés pour les diodes laser sont à gap direct : GaAs, InGaAs, AlGaAs etc. Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe DOUBLE HÉTÉROJONCTION npetit gap > ngrand gap •Confinement des photons •Confinement des porteurs (électrons et trous) (dans la direction verticale. Horizontalement : ruban) Grand Gap Petit Gap « entonnoir à électrons » Diodes lasers d Indice de réfraction d Grand Gap GaAlAs GaAs GaAlAs Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe Puits quantiques AlSb InAs Conduction band quantum well AlSb Energy V(z) E2 E1 AlAs AlAs G aAs Valence band quantum well Position z Croissance Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe Principe : accoler deux materiaux différents Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles ! Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å AlAs GaAs Bande de Conduction AlAs EG= 2.2eV AlAs EG= 1.43eV Bande de Valence Bande de Valence Diodes lasers GaAs Bande de Conduction Puits quantique = double héterostructure de petite taille (nm) Le puits quantique est la brique de base de l’ingénierie quantique Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Principe ARCHITECTURES DES DIODES LASER + Métal couche active dopée p + Métal + Métal P SiO2 SiO2 couche active dopée p N couche active dopée p P N N P Métal N n _ N Métal Métal _ _ Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Technologie TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE Epitaxie par Jet Moléculaire High Vacuum chamber Al GaAs Substrate Ga AlAs GaAs As Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Propriétés des diodes laser Section émettrice: de 1µm x 3µm (faible puissance) jusqu’à 1 µm x plusieurs centaines de µm de longueur Divergence : 10°x 30° (FWHM) environ Puissance : de qq 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Propriétés Profil spatial en champ lointain plan ⊥ jonction (axe « rapide ») limité par la diffraction λ : faisceau très ≅ 30° ⊥ =2 divergent,δθ profil gaussien πd plan // jonction (axe « lent ») Selon le type de guidage réalisé et la largeur de la couche active δθ // ≅ 10° Faisceau elliptique & divergent Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Propriétés Couplage dans une fibre optique vue de dessus du couplage direct d’une diode laser avec une fibre lentillée Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Contrôle spectral AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ Milieu actif Traitement AR Mirroir de sortie Miroir de fond de cavité (réseau) Cavité externe réseau Distributed feedback (DFB) Optique de collimation Milieu actif Milieu actif Miroir de fond de cavité (réseau) Mirroir de sortie Distributed Bragg Reflector (DBR) Diodes lasers Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance Diodes MONORUBAN : L’épaisseur de la jonction est de 1 µm (constante) Î 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 ( ) Diodes lasers Emission très dissymétrique !!! Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE Assemblage de diodes laser émettant une puissance crête de 1.6 KW Diodes lasers Livermore (LLNL) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance 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 Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Diodes de puissance Problème majeur : Figure de Mérite = Augmentation de la puissance Baisse de la luminance puissance surface émettrice x divergence = luminance (“brightness”, brillance) diode monomode spatial: 100 mW diode monomode spatial : 1W diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm) barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm) diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0,2) --> 40 MW/cm2.rd2 --> 400 MW/cm2.rd2 --> 10 MW/cm2.rd2 --> 1 MW/cm2.rd2 --> 100 kW/cm2.rd2 (laser CO2 de 1 kW --> 100 MW/cm2.rd2) Diodes lasers --> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux - pompage optique de lasers solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Contrôle spatial Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique Remise en forme du faisceau nécessaire Deux Exemples : (il existe moultes autres méthodes) Lens duc Stack de diodes InGaAs Lentilles cylindriques de collimation Diodes lasers Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Applications z Pour les diodes de faible puissance : z z z z z Pour les diodes de forte puissance : z Diodes lasers Telecoms (λ~1,55 µm) Spectroscopie (détection de polluants…) Lecteurs/graveurs de CD/DVD Imprimantes Laser Pompage des Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Une diode laser pour pomper un autre laser ? z Pourquoi ? z Plus compact et plus fiable z Plus efficace z z Recouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristal z 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) z Diodes lasers Inconvénients : z 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) z Contrôle de la température nécessaire z Assez cher ! Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Système diode + Laser un convertisseur de mode spatial - pompe multimode transverse --> émission monomode un convertisseur de fréquence - transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage) Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Faisceau laser monomode transverse Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Faible puissance Nd:YAG Polariseur Coherent Puissance de sortie : 0,5 W Diode de pompage @ 808 nm Forte puissance Miroir Rmax P = 13 W cw, TEM00 Nd:YVO4 : plus forte absorption que le Nd:YAG Ppompe = 26W Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir de sortie T = 18 % Lasers Solides Spectra Physics Nd:YVO4 Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Gestion des effets thermiques !!! Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES Keyes and Quist Fonctionnement à l’azote liquide (77°K) Lasers Solides (Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode CONFIGURATIONS DE POMPAGE Pompage longitudinal Cristal Diode de pompe Miroirs de la cavité - 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 Pompage transverse Cristal : barreau (rod) ou plaque (slab) Lasers Solides Diode de pompe - diodes de pompage de forte puissance ou énergie - meilleur gestion de la thermique - diode de pompage de faible luminance - faisceau de moins bonne qualité Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Exemple d’architecture: lentille Nd:YAG Polariseur Diode de pompage @ 808 nm Lasers Solides Exemples de pompage longitudinal (le faisceau de diode et le faisceau laser sont colinéaires) Coherent Puissance de sortie : 0,5 W à 1064 nm Pompage longitudinal Exemple de pompage transverse (le barreau est pompé de côté : pour les lasers de puissance) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage longitudinal Un exemple d’application : les Microlasers Principe : 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 Cristal : Nd:YAG (qql mm) faisceau à 1,064 µm Diode de pompage @ 808 nm Lasers Solides Miroirs de la cavité Entrée HT @ 808 nm, HR @ 1064 nm Sortie HR @ 808 nm, T= 5 % @ 1064 nm Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage longitudinal Un exemple d’application : les Microlasers Substrat de Nd:YAG Φ= 25 mm, 0,5 - 1,5 mm Polissage Épitaxie en phase liquide d’une couche de Cr4+:YAG 100 - 150 µm Polissage du Cr4+:YAG, 30 - 50 µm Dépots des miroirs Découpage des microlasers 1 x 1 mm2 Lasers Solides Production de masse : Bas coût > 200 microlasers sur un substrat de 1 pouce de diamètre (25,4 mm) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage longitudinal Microlaser impulsionnel Volume total : 1mm3 Cristal : Nd:YAG faisceau à 1,064 µm Diode de pompage @ 808 nm Application : pointeurs lasers verts Lasers Solides Absorbant saturable Cr4+:YAG (30-50 µm) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage longitudinal Lasers Solides Système RGB : Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d’application Pour le développement de lasers Nd:YAG de forte puissance pompés par des barettes ou des stacks Barreau (adapté aux barettes) Pompage configuration “zigzag” plaque pour les stacks miroir de fond de cavité Pompage Gestion de la thermique (homogénéisation) Miroir de sortie 1. barreau Nd:YAG 2. faisceau laser 3. miroir de sortie 4. barette de diodes 5. optique de collimation 6. miroir Rmax 7. refroidissement 8. alimentation électrique Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d’application Ultra-forte puissances : configuration MOPA (Master Oscillator-Power Amplifier) Laser “infinity” de Coherent® Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d’application Ultra-forte puissances : configuration MOPA Optique de conjugaison des deux barreaux de Nd:YAG Amplificateur Cristaux non linéaires (BaB2O4) Miroir à conjugaison de phase Laser solide pompé par diode Lasers Solides Isolateur optique (rotateur de Faraday) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d’application Ultra-forte puissances : configuration MOPA (Master Oscillator-Power Amplifier) Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Pompage par diode z Le “Thin disc laser” ou disque mince Brevet de l’Université de Stuttgart Miroirs de la cavité -Pompage « recyclé » : Multiple-réflexions pour le faisceau de pompe dans le cristal - Cristal mince pour un refroidissement efficace Miroirs Sphériques pour la pompe Miroir plan Bundle de diodes fibrées Lasers Solides Cristal Yb:YAG et refroidissement à basse T° Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les Lasers à fibre z Le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions terres rares (Erbium et/ou Ytterbium essentiellement) z z Compacité, souplesse, robustesse La cavité peut être très longue z z Répartition des effets thermiques Fortes puissances avec bonne qualité spatiale Pompe λs λp λs Oscillation à λs Lasers Solides Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les Lasers à fibre Cavité: Miroirs type Bragg Excitation UV extérieure (Ex : Laser Excimere, cf plus loin) Miroir basé sur un principe interférentiel Masque de phase Très sélectif en longueur d’onde n Lasers Solides Fibre optique Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les Lasers à fibre Effets Non-Linéaires : très présents car les densités de puissance sont fortes (diamètre fibre = qql µm) Problème : Limitent la puissance accessible avec une bonne qualité spectrale Avantage : Nouvelles longueurs d’ondes Î Laser Raman Effet Raman Î décalage de la λ de ∆λ Ex : Laser dans la fibre Lasers Solides Milieu amplificateur: Fibre dopée au phosphore λ λ λ λ λ λ λ s1 s2 s3 p s3 s2 s1 100% 100% 100% 100% 100% 100% 80% 3 stokes en cascade Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Les Lasers à fibre Le pompage : Comment injecter une diode de puissance (multimode) dans une fibre optique monomode ? Une solution : fibre à double coeur Gaine silice haut indice Polymère Fibre silice dopée Yb monomode Gaine polymère bas indice Fortes puissances possibles ! Lasers Solides Le Futur : fibres photoniques… Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Deuxième partie zI . Les différents types de laser z Lasers à Gaz z Lasers à liquides (Colorants) z Lasers Solides z Les lasers à semi-conducteur et le pompage par diode z L’Optique Non-Linéaire : Comment changer la couleur d’un laser ? Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Optique NON linéaire ONL Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Origine de la nonlinéarité z z z ONL Les électrons des atomes oscillent à la fréquence du champ électrique de l’onde Les électrons en mouvement rayonnent un champ (comme une antenne) de même fréquence : phénomènes de propagation, réfraction, diffusion… usuels Si les électrons sont “trop secoués” (par un champ intense), le déplacement du centre de masse du nuage électronique n’est plus sinusoïdal (comme un ressort qu’on a tiré trop fort) : il apparait des fréquences nouvelles dans le champ rayonné par l’atome (par ex ici dans un cristal non centrosymétrique où le déplacement du nuage ne se fait plus de façon symétrique) - Nuage électronique noyau noyau Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord En pratique •Très utilisé pour convertir le rayonnement infrarouge (très facile à obtenir) en rayonnement visible et UV (pas de cristaux émettant directement dans l’UV) : la plupart des lasers solides visibles et UV du commerce sont en fait des lasers infrarouges suivis de cristaux nonlinéaires Ex : les pointeurs laser verts ONL Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Autres applications Laser “blanc” (continuum) obtenu à partir d’un laser monochromatique dans une fibre optique présentant de très fortes nonlinéarités Système RGB (laser rouge, vert, bleu) pour le cinéma ou la télévision laser : ONL Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord