Conditions d

1
Conditions doscillation
Tout oscillateur stable doit réunir trois
ingrédients

• Une condition sur le gain Gain Pertes sur 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
2
Condition Gain Pertes en régime stationnaire
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
R25
R100
G2
G
M2
M1
Les Bases
3
Condition Gain Pertes en régime stationnaire
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
R25
R100
G2
G
M2
M1
Les Bases
4
Saturation du gain

• Avant létablissement du régime stationnaire, il
  faut que GAIN gt Pertes pour que lintensité se
  construise dans la cavité

• Point de fonctionnement Gain(I) Pertes
• Stabilité
• Si I augmente, Gain lt pertes donc I diminue
  stabilisation
• Si I diminue, Gain gt pertes donc I augmente
  idem.

Gain
G0
G(I)
Pertes (1/H)
I
Intensité laser dans la cavité
Les Bases
5
Et pourquoi le gain sature-t-il ?
(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 létat du bas niveau du
haut dépeuplé ?N diminue !
?N N2 N1 Gain ? exp (?.?N.L)
Les Bases
6
Saturation du Gain
En résumé
Le Gain G est proportionnel à linversion 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
?N
Photons
?Nseuil
Rseuil
Rseuil
Pompage
Pompage
Les Bases
7
Monochromatique ?
Modes autorisés par la cavité Courbe de Gain (non
saturé) Pertes
Oscillation laser possible (gaingt pertes)
Ici 5 modes possibles
C/2L
Exemples
MHz
Les Bases
8
Tous monochromatiques ?
Fonctionnement naturel Multimode (?? 1010 Hz ?
?? 0,01 nm)
Fonctionnement monomode (pertes sélectives
favorisant UN SEUL mode) Ex lasers pour la
métrologie / télécom optiques
(?? 106 Hz ? ?? 10-6 nm)
Fonctionnement fortement multimode lasers NON
monochromatiques
ex Titane-saphir ?? 4.1014 Hz ? ?? 300 nm
??
Les Bases
9
Lasers accordables
Plage démission largeur de la bande
inférieure Ex TiSa 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
10
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 dOptique non-lineaire
• Exemples dapplications

11
LEmission LASER

• Propriétés TEMPORELLES
• Fonctionnements possibles
• Régime Continu
• Régime impulsionnel
• Durées de la ?s à la femtoseconde (10-15 s)
• Cadences de lt 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 ?² 1016 W/cm2)
Les Bases
12
Mode déclenché Q-switch

• Principe
• Augmentation artificielle des pertes durant le
  pompage
• Linversion de population et donc le gain sont
  maximisés.
• Le milieu amplificateur agit comme un réservoir
  dénergie.
• Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène
  la cavité dans son état  normal  (pertes
  faibles). Loscillation sétablit rapidement et
  on a une impulsion brève et intense.
• Le processus est répété pour générer
  limpulsion suivante.

Q-switch
13
Évolution dun laser à mode déclenché
Niveau haut
Pertes
Niveau bas
Temps t
On sarrange pour obtenir des pertes élevées dans
la cavité.
Q-switch
14
Évolution dun laser à mode déclenché
Pertes
Gain
Temps t
On pompe le milieu amplificateur jusquà ce que
le gain approche les pertes.
Q-switch
15
Évolution dun laser à mode déclenché
Niveau haut
Pertes
Gain
Niveau bas
Temps t
On abaisse les pertes de façon quasi
instantanée. Linversion de population est alors
massive le niveau supérieur, en se  vidant 
brusquement, provoque la création dune impulsion
géante.
Q-switch
16
Évolution dun 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
cest la fin de limpulsion
Q-switch
17
Conditions nécessaires au Q-switch

• (1) Le temps de vie du niveau supérieur doit
  être plus grand que le temps de létablissement
  de loscillation dans la cavité.
• (2) La durée du pompage doit être plus grande ou
  égale au temps de vie du niveau supérieur.

?2gtts
Tp??2
(3) Les pertes dans la cavité doivent être
suffisamment grandes pour ne pas avoir
doscillations durant le pompage. (4) Les pertes
doivent redescendre à leur état   normal de
façon quasi instantanée pour ne pas perdre
dénergie emmagasinée.
Q-switch
18
Le déclenchement Passif
Utilisation dabsorbants 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
19
Le déclenchement Passif
Utilisation dabsorbants saturables Materiaux
non-linéaires opaques sous faible éclairement et
transparents sous fort éclairement

• Donc
• Pas dimpulsion ? materiau opaque ? pertes
  élevées
• Début dimpulsion ?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
20
Le déclenchement actif
V
Milieu amplificateur
Cellule Pockels
Cellule de Pockels cristal électro-optique qui
joue le rôle dune  porte de polarisation .
Cest une porte commandée par une haute tension.
Porte fermée pertes infinies porte ouverte
pertes faibles (normales)
On choisit ainis le moment de création de
limpulsion en basculant la tension V

• Données typiques des lasers déclenchés
  (Q-switched lasers)
• Durée de limpulsion 1 à 100 ns
• Cadence de quelques Hz à 100 kHz

Q-switch
21
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 limpulsion nest plus infiniment grande
  devant la période lumineuse

Ex à ? 800 nm, T ?/c 2,6 fs une
impulsion de 100 fs contient donc seulement 40
périodes ? le spectre dune impulsion courte
nest donc pas monochromatique (transformation de
Fourier)
Mode-Lock
22
Modes longitudinaux
http//nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/Baumert
2.ppt
const.
Mode-Lock
23
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
24
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
25
Addition de modes en phase
Additionnons N sinusoides de fréquences
?0
Frequence
Mode-Lock
26
Addition de 1,2,4,6 modes en phase
battements
Mode-Lock
27
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
28
Verrouillage de modes
??
Résumé

• Pour faire des impulsions courtes il faut
• Beaucoup de modes (N grand) matériau laser
  avec une large bande damplification
  (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/??
• ex ?t (NdYAG) ? 10 ps ?t (TiSa) ? 10 fs
• la cadence ne dépend que de la longueur de la
  cavité f c/2L

Mode-Lock
29
Comment faire ?
Principe favoriser le fonctionnement
impulsionnel par rapport au fonctionnement
continu Il faut donc que pertes (continu) gt
pertes (pulsé)
Exemple Utilisation de leffet Kerr
n n0n2.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
30
Comment faire ?
Principe favoriser le fonctionnement
impulsionnel par rapport au fonctionnement
continu Il faut donc que pertes (continu) gt
pertes (pulsé)
Exemple Utilisation de leffet Kerr
n n0n2.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
31
Exemple le laser Titane-saphir
Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il nexiste
pas de diodes laser vertes de puissance)
?? 400 nm ! (?ttheo5 fs)
Laser pompé en continu (quelques W) avec un laser
vert (argon à 488 nm ou NdYAG suivi dun 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
32
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 dOptique non-lineaire
• Exemples dapplications

33
Différents types de lasers

• Lasers à Gaz
• Lasers à liquide (colorants)
• Lasers Solides
• Un cas à part les lasers à Semiconducteurs ou
  diodes laser
• loptique non linéaire comment changer la
  couleur dun laser ?

Types de lasers
34
Différents types de lasers

• Lasers à Gaz
• Lasers à liquide (colorants)
• Lasers Solides
• Un cas à part les lasers à Semiconducteurs ou
  diodes laser
• loptique non linéaire comment changer la
  couleur dun laser ?

35
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
36
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
37
Le laser He-Ne

• Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960)
• Principe pompage par décharge électrique
  transfert dénergie entre lHelium et le Néon

3s
2s
1s
Lasers à gaz
38
Le laser He-Ne

• La transition la plus connue est à 633 nm
• Très utilisée pour lalignement (faible
  puissance)

TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW)
Lasers à gaz
39
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
40
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 (lt0,01)

Refroidissement par eau
Refroidissement par air
Lasers à gaz
41
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
42
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
43
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
44
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
45
Le laser CO2
Lasers à gaz
46
Les lasers à vapeur de cuivre
Laser visible impulsionnel de forte puissance
moyenne Milieu amplificateur mélange de néon et
de vapeur de cuivre Longueurs donde 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
luranium en isotope U235 par photo-ionisation
sélective vers 625 nm) maintenant abandonné.
Lasers à gaz
47
Les lasers à Azote (N2)
Milieu amplificateur Azote gazeux, statique ou
en flux Pompage électrique
Emission dans lUV (337.1 nm) Uniquement pulsé
(ns)
Laser bon marché, puissant (Pcrête qql MW) Peu
efficace (rendement 0.1)
Effet laser obtenu à partir de lAzote
atmosphérique par décharge électrique
Lasers à gaz
(Pas de cavité !)
48
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 (linversion 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
49
Application des lasers chimiques

• Lasers très volumineux, souvent monocoup
• application exclusivement militaire
  destruction de missiles

Lasers à gaz
50
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
termineren 2006 En fevrier 2006 déclassé au
titre de programme expérimental
Lasers à gaz
51
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
52
Les lasers excimères

• Ex les lasers ArF, KrF, XeCl, XeF

Ces excimères (excited dimers) ont des états
excités stables et des états fondamentaux
instables. Lexcitation (par decharge
electrique) produit automatiquement une inversion
de population (la population dans le niveau
fondamental est par definition nulle !).
Emission dans lUV (principales raies à 157,193,
248, 308, 351 nm) Fonctionnement pulsé seulement
(µs à ps)
F2
ArF
KrF
XeF
XeCl
Applications Biologie, Médecine, découpe,
lithographie pour la microélectronique
Lasers à gaz
53
Différents types de lasers

• Lasers à Gaz
• Lasers à liquide (colorants)
• Lasers Solides
• Un cas à part les lasers à Semiconducteurs ou
  diodes laser
• loptique non linéaire comment changer la
  couleur dun laser ?

54
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
55
Le laser à Colorant
Longueurs dondes accessibles avec différents
colorants
Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue
avec un reseau intracavité par ex.
Colorant
56
Différents types de lasers

• Lasers à Gaz
• Lasers à liquide (colorants)
• Lasers Solides
• Un cas à part les lasers à Semiconducteurs ou
  diodes laser
• loptique non linéaire comment changer la
  couleur dun laser ?

57
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
58
Les lasers Solides

• Croissance des cristaux

Méthode Czochralski
Taille maxi obtenue en labo monocristal de 15
cm de diamètre
Lasers Solides
59
Le laser NdYAG
Nd3Y3Al5O12
Niveaux dénergie supérieure (peuplés par le
pompage)
4S3/2 -- 4F7/2
Décroissance rapide non radiative
4F5/2 -- 3H9/2
Niveaux dénergie 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
60
Le laser NdYAG
Pompage par lampe flash ou par diode laser
(Lasers de forte puissance)
Lasers Solides
61
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
62
Le laser TiSa

• Principal laser solide accordable

Ti3 Al2O3
Lasers Solides
63
Pompage dun laser TiSa
Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il nexiste
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 démission très large
• Accordabilité étendue
• Possibilité de générer des impulsions
  ultracourtes (laser à verrouillage de modes
  limite théorique Ti-Sa 4 fs)

Lasers Solides
64
Différents types de lasers

• Lasers à Gaz
• Lasers à liquide (colorants)
• Lasers Solides
• Un cas à part les lasers à Semiconducteurs ou
  diodes laser
• loptique non linéaire comment changer la
  couleur dun laser ?

65
Principe
ELECTRON DANS UN SOLIDE DIAGRAMME DES BANDES
DENERGIE
?
bande de conduction
?
bande de valence
bande pleine
METAL
Diodes lasers
66
Principe
SEMICONDUCTEURSDOPÉS
électron supplémentaire mobile
excès délectrons
semiconducteur dopé n
déficit délectrons ou excès de trous
électron manquant
semiconducteur dopé p
Diodes lasers
67
Principe
STRUCTURE DE BANDES
Tension appliquée, création dun
courant délectrons 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
68
Principe
DOUBLE HÉTÉROJONCTION
npetit gap gt ngrand gap

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

(dans la direction verticale. Horizontalement
ruban)
 entonnoir à électrons 
Diodes lasers
69
Principe
Puits quantiques
Diodes lasers
70
Principe
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
Le puits quantique est la brique de base de
lingénierie quantique
Puits quantique double héterostructure de
petite taille (nm)
Diodes lasers
71
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
72
Technologie
TECHNIQUE DE CROISSANCE MBE
Epitaxie par Jet Moléculaire
Diodes lasers
73
Propriétés des diodes laser
Section émettrice de 1µm x 3µm (faible
puissance) jusquà 1 µm x plusieurs centaines de
µm de longueur Divergence 10x 30 (FWHM)
environ Puissance de qq mW à 200 mW avec un
faisceau de même qualité quun laser Pour des
puissances gt 200 mW faisceau divergent quun
faisceau laser de même taille Problème un tel
faisceau ne peut plus être focalisé sur une
tache de diffraction de taille ?² Efficacité
de conversion électrique-optique 30 à 50
Durée de vie (10 000 heures) Les
Performances (seuil, longueur donde, efficacité,
durée de vie) dépendent de la température
Diodes lasers
74
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
75
Propriétés
Couplage dans une fibre optique
vue de dessus du couplage direct dune diode
laser avec une fibre lentillée
Diodes lasers
76
Contrôle spectral
AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ
Diodes lasers
Applications télécommunications (DWDM) et
spectroscopie
77
Diodes de puissance
Diodes MONORUBAN Lépaisseur 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
78
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
79
Diodes de puissance
Diodes de puissance FIBREES
OPTO POWER Diode laser continue AlGaAs fibrée
de 20 W _at_ 808 nm (base des lasers solides
pompés par diodes de Spectra Physics)
Diodes lasers
80
Diodes de puissance
Problème majeur Augmentation de la puissance
Baisse de la luminance

luminance (brightness, brillance)
diode monomode spatial 100 mW --gt 40
MW/cm2.rd2 diode monomode spatial 1W --gt 400
MW/cm2.rd2 diode multimode 1 W (1µm per 100
µm) --gt 10 MW/cm2.rd2 barrettes de diodes 20 W
(1µm par 1 cm) --gt 1 MW/cm2.rd2 diode fibrée
15 W (600 µm, ON 0,2) --gt 100
kW/cm2.rd2 (laser CO2 de 1 kW --gt 100
MW/cm2.rd2)
--gt Remise en forme - utilisation directe en
usinage des matériaux - pompage optique de
lasers solides
Diodes lasers
81
Contrôle spatial
Barrettes de diodes rayonnement très
dissymétrique Remise en forme du faisceau
nécessaire
Deux Exemples (il existe moultes autres
méthodes)
Diodes lasers
82
Applications

• Pour les diodes de faible puissance
• Telecoms (?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
83
Une diode laser pour pomper un autre laser ?

• Pourquoi ?
• Plus compact et plus fiable
• Plus efficace
• Recouvrement spectre diode/bandes dabsorption du
  cristal
• Rendement électrique/optique jusquà 15 à la
  prise pour un laser solide pompé par diode
• Faisceau limité par diffraction (i.e. que lon
  peut focaliser sur la plus petite surface
  théoriquement accessible ?²)
• Inconvénients
• Tous les matériaux solides ne sont pas
   pompables  par diode limite le choix en
  longueur donde (dans linfrarouge autour de 1 µm
  principalement)
• Contrôle de la température nécessaire
• Assez cher !

Diodes lasers
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Pompage par diode

• Système diode Laser
• un convertisseur de mode spatial
• - pompe multimode transverse --gt émission
  monomode
• un convertisseur de fréquence
• - transformation du caractère multimode de la
  pompe en un faisceau monofréquence (par injection
  ou filtrage)

Lasers Solides
85
Pompage par diode
Faible puissance
Coherent
Polariseur
NdYAG
Puissance de sortie 0,5 W
Diode de pompage _at_ 808 nm
Forte puissance
Spectra Physics
Miroir Rmax
P 13 W cw, TEM00 Ppompe 26W
NdYVO4 plus forte absorption que le NdYAG
NdYVO4
Barette de diode laser fibrée 20 W _at_ 808 nm
Barette de diode laser fibrée 20 W _at_ 808 nm
Miroir de sortie T 18
Gestion des effets thermiques !!!
Lasers Solides
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Pompage par diode
LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES
Keyes and Quist
Fonctionnement à lazote liquide (77K)
(Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964)
Lasers Solides