Les LASERS et leurs applications - II

Transcription

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 ?
Deuxième partie
zI
z Lasers
à Gaz
z Lasers Solides
pompage par diode
z
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
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
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
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)
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)
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
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
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
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
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)
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%)
Lasers à
gaz
Effet laser obtenu à partir
de l’Azote atmosphérique
par décharge électrique :
(Pas de cavité !)
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
“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
Lasers à
gaz
En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
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
Deuxième partie
zI
z Lasers
à Gaz
z Lasers Solides
pompage par diode
z
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
Deuxième partie
zI
z Lasers
à Gaz
z Lasers Solides
pompage par diode
z
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
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
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
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
lampe flash
Flashs et barreaux aux foyers de 2
réflecteurs elliptiques
source de tension
Lasers
Solides
Le laser Ti:Sa
z
Principal laser solide accordable
Ti3+: Al2O3
Lasers
Solides
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)
Deuxième partie
zI
z Lasers
à Gaz
z Lasers Solides
pompage par diode
z
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
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
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.
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
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
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
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
Technologie
TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE
Epitaxie par Jet Moléculaire
High Vacuum
chamber
Al
GaAs
Substrate
Ga
AlAs
GaAs
As
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
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
Propriétés
Couplage dans une fibre optique
vue de dessus du couplage direct d’une diode laser
avec une fibre lentillée
Diodes
lasers
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
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 !!!
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
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 :
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
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
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
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 !
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
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 !!!
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)
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
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
Exemple de pompage
transverse (le barreau est
pompé de côté : pour les
lasers de puissance)
Pompage par diode
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
Pompage par diode
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)
Pompage par diode
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)
Pompage par diode
Lasers
Solides
Système RGB :
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
Pompage par diode
Pompage transverse
Ultra-forte puissances : configuration MOPA
(Master Oscillator-Power Amplifier)
Laser “infinity” de Coherent®
Lasers
Solides
Pompage par diode
Pompage transverse
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)
Pompage par diode
Pompage transverse
(Master Oscillator-Power Amplifier)
Lasers
Solides
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°
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
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
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
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…
Deuxième partie
zI
z Lasers
à Gaz
z Lasers Solides
pompage par diode
z
Optique NON linéaire
ONL
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
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
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

Les LASERS et leurs applications - II

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