Principaux constituants d`un laser

Principaux constituants d’un laser
Rappelons qu’un laser n’est pas un amplificateur mais bien un oscillateur. Un laser se compose d’une
cavité résonante, d’un milieu actif enfermé dans la cavité résonante et d’un dispositif de pompage
approprié.
Lorsque l’ensemble des composants constituant le laser sont sur une même ligne, la cavité résonante,
appelée aussi résonateur, est dite linéaire ; lorsque l’ensemble des composants constituant le laser
est disposé en boucle, on parle alors de laser en anneau (ring laser) ; nous allons principalement
décrire le laser à cavité résonante linéaire.
Dispositif de pompage
Milieu actif
x
x’
Faisceau
laser émis
Dispositif de pompage
Miroir réflecteur
totalement
réfléchissant
Cavité résonante Miroir coupleur de sortie
partiellement réfléchissant
renfermant
le milieu actif
Fig. 9 Principe d’un laser à cavité résonante de type Fabry-Pérot
Description et rôle du milieu actif
Le milieu actif renferme les particules excitées (atomes, molécules, ions, etc.) et peut être solide,
liquide ou gazeux.
Le milieu actif, en état d’inversion de population grâce au dispositif de pompage, amplifie l’onde qui le
traverse par émission stimulée.
Description et rôle de la cavité résonante
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La cavité résonante (appelée aussi résonateur optique ou tout simplement résonateur) est constituée
de deux miroirs situés en regard l’un de l’autre, placés sur un même axe ; ces miroirs peuvent être
plans et parallèles entre eux, comme dans le cas d’un interféromètre de type Fabry-Pérot, ou
sphériques et alors leurs propriétés dépendent des positions relatives de leurs centres et de leurs
sommets ; le miroir réflecteur est totalement réfléchissant ; le miroir coupleur est partiellement
réfléchissant pour permettre à une fraction de la lumière, qui constitue le faisceau laser, de sortir de la
cavité.
Nous avons vu que le simple passage d'une onde incidente de fréquence appropriée déclenche une
émission stimulée dans le milieu actif produisant un effet amplificateur limité. De plus, l'hypothèse de
calcul impose un effet unidirectionnel. Ces deux restrictions disparaissent lorsque le milieu actif est
placé entre deux miroirs plans et parallèles : l'amplificateur devient périodique et la directivité est
assurée puisque la seule direction de propagation privilégiée est la normale aux deux miroirs. Toute la
lumière ne se propageant pas strictement suivant cet axe est rapidement perdue par réflexions
multiples et ne participe plus à l'effet amplificateur. Les deux miroirs constituent une cavité résonante
ou cavité optique, multipliant les amplifications de lumière dans le milieu actif, à condition toutefois que
l'inversion de population y soit maintenue pendant un temps suffisant. L'ensemble milieu actif
amplificateur - dispositif de pompage - cavité résonante, constitue un oscillateur laser. Naturellement,
l'extraction d'une énergie exploitable à l’extérieur de la cavité exige la présence d'un miroir
partiellement réfléchissant libérant le faisceau laser de sortie.
Etude des modes d’émission
Modes transversaux
Une radiation lumineuse, de longueur d’onde λ ou de fréquence ν = c/λ, où c désigne la célérité de la
lumière, présente dans cavité résonante, effectue plusieurs allers-retours dans le résonateur en se
réfléchissant successivement sur ses deux miroirs ; lorsque la longueur L de la cavité résonante
correspond à un nombre entier k de demi-longueurs d’onde un système d’ondes stationnaires s’établit
à l’intérieur de la cavité résonante ; les plans d’onde sont parallèles aux miroirs :
λ
c
L = k. = k.
2
2ν
(27)
k est un entier dont la valeur caractérise ce qu’on appelle un mode de la cavité et par conséquent un
mode du laser.
Les champs électrique et magnétique de l’onde sont perpendiculaires à la direction de
propagation, les modes d’émission obtenus sont appelés transverses électromagnétiques ou
modes TEM ; en réalité, les cavités favorisent la propagation dans des directions autres que
l'axe médian. Ces modes sont nombreux et sont désignés par la notation TEMmnp car les
champs électrique et magnétique constitutifs des ondes lumineuses sont approximativement
orthogonaux à la direction de propagation ; les indices m et n désignent les ordres des modes
résonants non parallèles à l'axe principal de la cavité.
Dans le cas d'un laser, les faces latérales de la cavité étant très peu réfléchissantes, le nombre
de modes transversaux demeure très faible ; m et n sont limités à quelques unités.
Effectivement, toute résonance présentant une légère oblicité par rapport à l'axe principal de
la cavité sera caractérisée par des pertes importantes. La tache lumineuse ainsi observée sur
un écran ne présente une symétrie circulaire que pour le mode TEM00q, dans lequel les
résonances obliques ne sont pas présentes. Ce cas est celui d'une cavité plane idéale,
parfaitement réglée, de longueur importante par rapport au diamètre de ses miroirs et
pratiquement dépourvue de réflexions sur ses parois latérales.
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Description des dispositifs de pompage
Il existe plusieurs dispositifs de pompages existent ; seuls les plus communs seront succinctement.
Pompage optique
Ce mode de pompage est principalement utilisé dans les lasers à solides ; le milieu actif des lasers à
gaz est très peu dense pour que ce dispositif de pompage soit employé avec eux, sauf dans
l’infrarouge moyen ou lointain ou le gaz présente de nombreuse transition entre niveaux de vibrationrotation.
L’excitation du milieu actif s’effectue au moyen de photons provenant soit d’une lampe flash, comme
pour le premier laser à rubis réalisé en 1960, soit d’un autre laser, comme le laser à diazote qui
pompe un laser à colorant. Pour d’autres types lasers des sources de lumière, telles que une diode
électroluminescente, une lampe à incandescence, une lampe à gaz ou même la lumière du soleil
peuvent suffire.
Pompage électronique
Cette technique de pompage est utilisée dans les lasers à gaz amis ne convient pas aux lasers dont le
milieu actif est liquide ou solide.
La décharge électrique communique l'énergie nécessaire à l'inversion de population. Les électrons
fortement accélérés d'une décharge électrique cèdent une partie de leur énergie cinétique aux atomes
ou molécules d'un gaz sous pression réduite.
Pompage chimique
Ce mode de pompage est utilisé dans les lasers chimiques qui présente la particularité de ne pas
nécessiter d’alimentation électrique et peuvent ainsi être utilisés directement sur le terrain aussi bien
en régime continu qu’en régime impulsionnel.
Certaines réactions chimiques peuvent produire des espèces chimiques directement dans des états
excités, alors qu’elles sont initialement absentes du mélange réactif : ainsi se trouve réalisée
l’inversion de population.
Excitation électrique
Cette technique de pompage est utilisée dans les diodes lasers.
Dans un semiconducteur, le niveau de valence correspond au niveau bas et le niveau de conduction
correspond au niveau haut ; l’application d’une tension continue à une diode à jonction permet de
peupler la bande de conduction au détriment de la bande de valence est de réaliser ainsi une
inversion de population. La recombinaison des électrons de la bande de conduction avec les trous de
la bande de valence qui suit provoque l’émission de la lumière qui s’amplifie grâce aux réflexions sur
les faces clivées du semiconducteur. Un exemple type de laser à semiconducteur est le laser dont le
milieu actif est composé de AlxGa1-xAs qui rayonne dans l’infrarouge.
En 1996, le chercheur japonais Shuji Nakamura a réalisé une diode laser émettant dans le bleuultraviolet. C’est cette diode qui est utilisé dans les dispositifs Bleu-ray Disc et HD-DVD qui ont permis
d’étendre la capacité des supports optiques actuels à environ 30 Go par couche et par face.
Collisions atomiques de deuxième espèce
Ce procédé de pompage est utilisé dans les lasers à gaz tels que le laser hélium-néon ou le laser
hélium-azote-gaz carbonique.
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Lorsque des atomes excités rencontrent d’autres atomes non excités, ils peuvent leur transférer leur
excitation sous forme d’énergie cinétique
Dissociation des molécules
Ce mode de pompage est principalement employé dans les lasers à excimères qui délivrent un
rayonnement ultraviolet de puissance.
Certaines molécules diatomiques ont la particularité de n’exister qu’à l’état excité car l’état
fondamental est dissociatif ; la seule présente de ces molécules crée l’inversion de population.
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Principe de fonctionnement d’un laser
Cas d’un laser à trois niveaux (Fig. 10)
Nous avons vu qu’à l’équilibre thermodynamique, les populations des deux niveaux sont données par
la formule de Boltzmann. Dans le domaine des fréquences optiques, seul le niveau fondamental
d’énergie E1 est peuplé (Fig. 10a).
Par absorption de l’énergie en provenance d’un dispositif de pompage approprié, on peut exciter une
partie importante de la population des atomes se trouvant dans l’état stable d’énergie inférieure E1 et
peupler l’état excité d’énergie supérieure E3 (Fig. 10b). De là, les atomes peuvent se désexciter et
redescendre sur le niveau E2 (Fig. 10c). Si l’intensité de pompage est suffisante, on peut réaliser une
inversion de population entre E2 et E1. Intuitivement on se rend vite compte que les temps de vie des
différents niveaux jouent un rôle important. La transition entre E3 et E2 doit être plus rapide que la
transition entre E2 et E1.
On observe que le milieu actif n’est pas à l’équilibre thermodynamique et que l’inversion est réalisée
via un schéma de pompage à trois niveaux.
La désexcitation par émission spontanée de certains atomes excités situés au niveau d’énergie
supérieure E2 vers le niveau d’énergie inférieure E1 libère des photons d’énergie E21 dans toutes les
directions. Certains photons se trouvent émis dans une direction perpendiculaire aux miroirs ; chacun
de ces derniers peut déclencher la désexcitation d’un atome excité situé au niveau supérieur E2 par
émission induite et entraîner la libération de deux photons ayant les mêmes caractéristiques que lui.
Chacun des photons obtenus par émission stimulée peut à son tour induire la désexcitation d’un autre
atome excité par émission stimulée et produire à nouveau deux photons identiques à lui. Les deux
miroirs situés aux extrémités de la cavité résonante se renvoient les photons émis dans une direction
qui leur est perpendiculaire ; ainsi, la lumière se densifie à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit
relâchée sous forme de rayonnement laser par une petite ouverture pratiquée dans le miroir coupleur
de la cavité résonante.
Une fois l’inversion de population critique réalisée, un premier photon d’émission spontanée se trouve
amplifié par le milieu actif puis à y déclencher l'émission induite de photons et enfin à accumuler le
rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes avant de le relâcher sous forme de rayonnement.
Le schéma de pompage à trois niveaux exige des puissances de pompage importantes puisque que
le niveau final E1 est le niveau fondamental ; cela impose qu’au moins la moitié de la population de E1
soit pompée au niveau E2 pour que le système fonctionne. On peut améliorer la situation en utilisant
un schéma de pompage à quatre niveaux, on constate dans ce dernier cas que même si le niveau E1
est peuplé, il peut y avoir inversion de population entre E3 et E2.
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E
E
E3
E3
Etat excité haut
E2
E2
Etat excité intermédiaire
E31 = E3 – E1
E1
E1
Etat stable
Fig. 10b Absorption
Système de particules
à trois niveaux fermés
Particules à l’état excité haut
Particules à l’état excité haut
Particule à l’état excité intermédiaire
Particule à l’état excité intermédiaire
Particule à l’état stable
Particule à l’état stable
Fig. 10a
E
E
E3
E3
E32 = E3 – E2
E2
E2
E21 = E2 – E1
E1
E1
Fig. 10c Emission (non radiative)
Fig. 10d Emission stimulée
Particules à l’état excité haut
Particule à l’état excité intermédiaire
Particule à l’état stable
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E21 = E2 – E1
Particules à l’état excité haut
Particule à l’état excité intermédiaire
Particule à l’état stable
Caractéristiques des principaux types de laser
Lasers à solide : Nd:YAG
Cavité Laser
Refroidissement
Milieu actif
Longueur d'onde
Pompage
Fonctionnement
Energie/Impulsion
Durée d'impulsion
Fréquence
Puissance crête
Diamètre de
faisceau
Divergence
Réfléchissante (double ou simple ellipse) - Diffusante
Eau
Barreau cylindrique
0,94 µm – 1,06 µm – 1,3 µm – 1,7 µm – 2,1 µm
Lampe flash - Diodes laser
Relaxé
Déclenché
Modes couplés
Continu
10 mJ à 100 J
10 mJ à 100 J
10 mJ à 100 J
Continu
0.2 - 2 ms
50 - 5 ns
60 ps
Continu
1 - 500 Hz
20 - 50 Hz
100 MHz
Continu
50 kW
100 MW
100 kW
4 à 30 mm
1 - 30 mrad
Laser à gaz : He-Ne
Cavité Laser
Refroidissement
Milieu actif
Longueur d'onde
Pompage
Fonctionnement
Puissance
Diamètre de faisceau
Divergence
Enveloppe en verre
Mélange gazeux He-Ne
543 – 632,8 – 1117,7 ... 3391,3 nm
Champ électrique
continu
0,5 à 150 mW
de l'ordre du mm
0,2 à 3 mrad
Laser à gaz : CO2
Cavité Laser
Refroidissement
Milieu actif
Longueur
d'onde
Pompage
Fonctionnement
Puissance
Diamètre du
faisceau
Divergence
1. Tube scellé en verre
2. Guide d'onde à tube scellé
3. Flux axial ou longitudinal lent ou rapide
4. Flux transverse rapide
Air (3) - Eau (1,3,2) - Huile (3) - Echangeur thermique (4)
Mélange: CO2 6 % - N2 20 % - He QSP
9 - 11 µm
1 continu
10 - 500 kW
3 - 4 mm
1 - 2 mrad
Décharge électrique HT Excitation HF
2 continu
3 lent
3 rapidecontinu continu pulsé
pulsé
1 - 20 W
1 - 1000 W
2 - 6 kW
1 - 2 mm
5 - 70 mm
5 - 70 mm
0.5 - 10
mrad
1 - 3 mrad
7
1 - 3 mrad
4 continu pulsé
10 à 20 kW
5 à 100 mm
1 - 3 mrad
Laser à excimères
Cavité Laser
Refroidissement
Milieu actif
Longueur d'onde
Pompage
Fonctionnement
Energie/Impulsion
Fréquence
Puissance moyenne
Diamètre du
faisceau
Divergence
Volume 2 litres - Gaz sous pression (> 1 atm)
Circulation du gaz
ArF
KrF
XeCl
193 nm
248 nm
308 nm
Décharge électrique transverse - Pré ionisation par décharge
annexe UV
Impulsionnel
250 mJ à 10 J
de 1 Hz à 500 Hz
de 10 à 1000 W
jusqu'à 5 x 8 cm
typiquement 1 x 3 mrad
Laser à semiconducteur
Cavité Laser
Refroidissement
Milieu actif
Longueur d'onde
Pompage
Fonctionnement
Puissance
Energie
Diamètre de faisceau
Divergence
Jonction entre un semiconducteur de type p
et un semiconducteur de type n
Si puissance continue > 100 mW
Refroidissement Peltier, Azote
Région de la jonction
Entre 0,6 et 30 µm - accordable en fonction de la
température, du courant, etc.
Courant électrique
Continu
Impulsionnel
150 mW
50 W crête
(basse température)
(température ambiante)
50 µJ en 1 µs (1 µJ en 100
ns)
quelques µm
30 degrés x 10 degrés
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