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Conditions d’oscillation

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Conditions d’oscillation. Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients : . Une condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour en régime stationnaire

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
conditions d oscillation
Conditions d’oscillation

Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients :

  • Une condition sur le gain : Gain = Pertessur 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 r gime stationnaire
Condition Gain = Pertes en régime stationnaire

G x H = 1 ou G = 1/H

Gain pertes

4

0.25

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

H

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

Milieu Amplificateur

R=25%

R=100%

G=2

G

M2

M1

Les Bases

condition gain pertes en r gime stationnaire3
Condition Gain = Pertes en régime stationnaire

G x H = 1 ou G = 1/H

Gain pertes

4

0.25

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

H

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

Milieu Amplificateur

R=25%

R=100%

G=2

G

M2

M1

Les Bases

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

(3)

Non radiatif rapide

(2)

POMPE

Effet laser

POMPE

(1)

(3)

Non radiatif rapide

(2)

POMPE

Effet laser

POMPE

(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 gain6
Saturation du Gain

En résumé :

Le Gain G est proportionnel à l’inversion de population N

Sous le seuil : N croit linéairement avec le taux de pompage R

Au dessus du seuil : N sature, car si le niveau superieur se remplit vite via le pompage R, il se vide également très vite via la transition laser : on atteint un équilibre. N reste constant, donc le gain aussi.

Au dessus du seuil, toute la puissance de pompage sert à augmenter le signal optique

Photons

N

Nseuil

Rseuil

Rseuil

Pompage

Pompage

Les Bases

monochromatique
Monochromatique ?

Modes autorisés par la cavité

Courbe de Gain (non saturé)

Pertes

= Oscillation laser possible (gain> pertes)

Ici : 5 modes possibles

C/2L

Exemples

≈ MHz

Les Bases

tous monochromatiques
Tous monochromatiques ?

Δν

A

0

Δν

Fonctionnement naturel Multimode

(Δν~ 1010 Hz → Δλ~ 0,01 nm)

Fonctionnement monomode (pertes sélectives favorisant UN SEUL mode)

Ex : lasers pour la métrologie / télécom optiques

(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
Lasers accordables

1

2

3

Arrivée sur un niveau quelconque de la bande inférieure

Plage d’émission = largeur de la bande inférieure

Ex : Ti:Sa [700-1100 nm]

Colorants (visible)

Relaxation rapide vers le bas de la bande

POMPE

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

Les Bases

plan g n ral du cours
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
L’Emission LASER

Pcrête

Pmoy

  • 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)

Les Bases

mode d clench q switch
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

volution d un laser mode d clench
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

volution d un laser mode d clench14
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

volution d un laser mode d clench15
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

volution d un laser mode d clench16
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 n cessaires au 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 d clenchement passif
Le déclenchement Passif

T

I

Utilisation d’absorbants saturables :

Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement

T.I

I

1

Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)

Q-switch

le d clenchement passif19
Le déclenchement Passif

T

I

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 d clenchement actif
Le déclenchement actif

V

Milieu amplificateur

Cellule Pockels

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
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
Modes longitudinaux

Gain

Boundary Condition:

Allowed Modes:

Mode Distance:

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

= const.

Mode-Lock

addition de modes en phase
Addition de modes en phase

Champ électrique total :

Supposons les modes en phase et de même amplitude :

y

t

i

s

n

e

t

n

I

n

n

Fréquence centrale

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

Additionnons N sinusoides de fréquences

ν0

Frequence

Mode-Lock

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

Puissance crête :

Durée des impulsions :

Nombre de modes

Écart entre deux modes

battements

Mode-Lock

verrouillage de modes
Verrouillage de modes

fréquence

C/2L

Δν

Résumé :

  • 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
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 faire30
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
Exemple : le laser Titane-saphir

Nd:YAG 2

Argon

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 g n ral du cours32
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
diff rents 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 ?

Types de lasers

diff rents types de lasers34
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 gaz
Les lasers à Gaz
  • Visible
    • 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 gaz36
Les lasers à Gaz
  • Visible
    • 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
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 ne38
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 gaz ionis
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 gaz ionis40
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 gaz ionis41
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 gaz42
Les lasers à Gaz
  • Visible
    • 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 co 2
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 co 244
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 co 245
Le laser CO2

Lasers à gaz

les lasers vapeur de cuivre
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 azote n 2
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
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
“Application” des lasers chimiques
  • Lasers très volumineux, souvent “monocoup”
  • application exclusivement militaire : destruction de missiles

Lasers à gaz

the airborne laser program
The “airborne laser program”

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 gaz51
Les lasers à Gaz
  • Visible
    • 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 excim res
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

diff rents types de lasers53
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 colorant
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 colorant55
Le laser à Colorant

Longueurs d’ondes accessibles avec différents colorants :

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

Colorant

diff rents types de lasers56
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 solides
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 solides58
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
Le laser Nd:YAG

Nd3+:Y3Al5O12

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 yag60
Le laser Nd:YAG

Pompage par lampe flash ou par diode laser

(Lasers de forte puissance)

Lasers Solides

pompage par flash
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
Le laser Ti:Sa
  • Principal laser solide accordable

Ti3+: Al2O3

Lasers Solides

pompage d un laser ti sa
Pompage d’un laser Ti:Sa

Nd:YAG 2

Argon

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

diff rents types de lasers64
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 ?
principe
Principe

bande de conduction

bande de conduction

Eg=gap

Ef

Ef

kT~Eg

bande de valence

bande de valence

bande pleine

bande pleine

SEMICONDUCTEUR

ISOLANT

ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES D’ENERGIE

bande de conduction

bande de valence

bande pleine

METAL

Diodes lasers

principe66
Principe

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

V

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

III

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

électron

manquant

trou

mobile

=

SEMICONDUCTEURSDOPÉS

électron

supplémentaire

mobile

excès

d’électrons

semiconducteur dopé n

déficit

d’électrons

ou excès

de trous

électron

manquant

semiconducteur dopé p

Diodes lasers

principe67
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

trous

Ef, V

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

principe68
Principe

Grand Gap

Petit Gap

Grand Gap

d

Indice de réfraction

d

GaAs

GaAlAs

GaAlAs

DOUBLE HÉTÉROJONCTION

npetit gap > ngrand gap

  • Confinement des photons
  • Confinement des porteurs (électrons et trous)

(dans la direction verticale. Horizontalement : ruban)

« entonnoir à électrons »

Diodes lasers

principe69
Principe

25 Å

AlSb

AlSb

InAs

Croissance

Puits quantiques

Diodes lasers

principe70
Principe

GaAs

Bande de Conduction

AlAs

AlAs

E

= 1.43eV

G

Bande de Valence

GaAs

Principe : accoler deux materiaux différents

Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles !

Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å

AlAs

Bande de Conduction

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

principe71
Principe

+

+

_

_

_

ARCHITECTURES DES DIODES LASER

Métal

couche

active

dopée p

couche

active

dopée p

+

Métal

SiO2

Métal

SiO2

P

couche

active

dopée p

N

P

N

N

P

Métal

N

n

N

Métal

Métal

Diodes lasers

technologie
Technologie

TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE

Epitaxie par Jet Moléculaire

Diodes lasers

propri t s des diodes laser
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

propri t s
Propriétés

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

propri t s75
Propriétés

Couplage dans une fibre optique

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

Diodes lasers

contr le spectral
Contrôle spectral

Milieu

actif

Traitement

AR

Optique de

collimation

Mirroir

de sortie

Miroir de fond

de cavité (réseau)

Cavité externe

réseau

Milieu

actif

Distributed feedback (DFB)

Milieu

actif

Miroir de fond

de cavité (réseau)

Mirroir

de sortie

Distributed Bragg Reflector (DBR)

AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ

Diodes lasers

Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie

diodes 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

diodes de puissance78
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

diodes de puissance79
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

diodes de puissance80
Diodes de puissance

puissance

Figure de Mérite =

surface émettrice x divergence

Problème majeur : Augmentation de la puissance

Baisse de la luminance

= 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

contr le spatial
Contrôle spatial

Lens duc

Stack de diodes

InGaAs

Lentilles cylindriques

de collimation

Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique

Remise en forme du faisceaunécessaire

Deux Exemples : (il existe moultes autres méthodes)

Diodes lasers

applications
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
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
Pompage par diode

Diodes de pompage

multimodes spatiales

Milieu à gain

Faisceau laser monomode transverse

Système diode + Laser

un convertisseur de mode spatial

- pompe multimode transverse --> émission monomode

un convertisseur de fréquence

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

Lasers Solides

pompage par diode85
Pompage par diode

Faible 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

Nd:YVO4

Barette de diode

laser fibrée

20 W @ 808 nm

Barette de diode

laser fibrée

20 W @ 808 nm

Miroir de sortie

T = 18 %

Gestion des effets thermiques !!!

Lasers Solides

pompage par diode86
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