Soutenance mémoire
Lasers à Azote
Les lasers à azote sont capables d’émettre dans l’ultraviolet (337,1 nm) des impulsions courtes à des taux de répétition de quelques dizaines de Hertz. Le pompage (par décharge électrique) permet d’exciter les molécules de diazote N2. Le gain extrêmement important présenté par ces lasers leur permet de fournir une énergie conséquente mais la cadence est limitée à environ 200 Hz. Bien que ces lasers soient peu efficaces (environ 0,1% de rendement) et encombrants, ils permettent d’atteindre de fortes puissance directement dans l’UV, et sont à ce titre largement utilisés dans l’industrie et la recherche pour le pompage des lasers à colorant, les études de fluorescence, la photochimie ou le séquençage de l’ADN.
Les lasers à colorants
Les lasers à colorant partagent un certain nombre d’inconvénients avec les lasers à gaz : ils sont encombrants, peu pratiques d’emploi, et nécessitent un entretien très régulier (notamment le remplacement du colorant). Cependant ils présentent un avantage considérable dont ils furent les seuls à pouvoir s’enorgueillir jusqu’à la fin des années 80 : ce type de laser est largement accordable dans le visible (et donc dans l’ultraviolet par simple doublement de fréquence). C’est essentiellement sur cette propriété extraordinaire pour un laser – et mettant à mal sa solide réputation de monochromatisme – que les lasers à colorant ont bâti leur succès. En effet, certaines applications telles que la spectroscopie atmosphérique par lidar requièrent des sources visibles ou ultraviolettes accordables, car de nombreux constituants atmosphériques (ozone, dioxyde de souffre, toluène…) présentent des bandes d’absorption dans ces domaines spectraux : une source accordable permet de détecter facilement et rapidement la présence de ces gaz en faisant continûment varier la longueur d’onde de la source. De la même façon, certaines études de photobiologie que nous avons déjà évoquées (spectroscopie de fluorescence résolue en temps [Couprie 94]) nécessitent des sources ultraviolettes d’impulsions courtes pour sonder l’évolution temporelle de molécules d’intérêt biologique au cours de processus cognitifs par exemple [Gaignet 97] : une source accordable permettra de pouvoir sonder différentes molécules sans changer de laser. Enfin si les lasers à colorants sont accordables, c’est bien sûr parce qu’ils possèdent un large spectre d’émission : une conséquence directe de ce spectre étendu est de rendre possible la génération d’impulsions ultra-courtes (femtoscondes) avec de telles sources. Avant l’avènement des lasers solides, les lasers à colorant (première démonstration en 1965 dans les laboratoires d’IBM par Peter P. Sorokin et J. R. Lankard) étaient par conséquent très populaires : ils présentaient les qualités pour atteindre l’ultraviolet (par simple doublement, du fait de leur émission dans la bande visible du spectre), pour réaliser des sources accordables (leur spectre s’étend sur plusieurs dizaines de nanomètres et il est très facile de changer de milieu amplificateur – du fait de sa nature liquide – et donc de couvrir une gamme spectrale très étendue) ou à impulsions ultra brèves (pour la même raison) [Georges 89]. Un grand nombre de réalisations ont donc été publiées dans les années 70 et 80, avec divers colorants [Johnston 88] [Hirth 77], diverses sources de pompage (laser à Argon [Johnston 88], laser à vapeur de cuivre [Koprinkov 94], laser à Azote [Dunning 73, 74], laser à Rubis [Hamadani 71], laser Nd :verre doublé [Dinev 72]…), et divers cristaux non-linéaires (BBO, LiIO3, RDP, ADA, KDP…) dans différentes configurations (doublement de fréquence bien sûr, mais aussi triplement [Koprinkov 94] ou somme de fréquence [Dinev 72][Gustaffson 88]. Les accordabilités obtenues couvrent souvent plusieurs dizaines de nanomètres et les puissance moyennes sont faibles (quelques milliwatts). La majorité de ces systèmes fournit un rayonnement continu.
Systèmes basés sur des diodes continues ou quasi- continues
Le développement rapide des amplificateurs à semi-conducteur permet de partiellement compenser la faible puissance crête des diodes laser continue en plaçant en série une diode laser et un amplificateur dans une structure type MOPA (pour Master Oscillator Power Amplifier, ou encore Oscillateur Maître et Amplificateur de Puissance). Un autre inconvénient des diodes laser est leur émission sur un spectre relativement large : on peut cependant obtenir une émission très affinée (soit typiquement moins de un MHz de large) en réalisant une cavité étendue (il s’agit de fermer la cavité par un réseau de diffraction en configuration de Littrow agissant comme un filtre spectral pour forcer l’oscillation sur le mode voulu) ou en asservissant la diode sur un interféromètre de Fabry-Perot de grande finesse [Schwedes 03]. Cependant, la puissance obtenue après amplification reste modeste (moins d’un Watt) et l’utilisation d’une cavité externe pour les étages de conversion de fréquence est nécessaire [Schwedes 03] [Zimmermann 95]. L’intérêt lié à la simplicité d’utilisation de la diode laser ellemême se trouve alors fortement dilué dans les divers asservissements et stabilisations électroniques qui rendent l’ensemble finalement assez complexe. Les puissances obtenues dans l’UV sont également assez faibles (1 mW à 231 nm [Schwedes 03] ou 2 mW à 243 nm [Zimmerman 95]). Enfin on peut noter la démonstration par Mizuuchi et al. de la faisabilité du doublement en fréquence d’une diode laser rouge continue à 680 nm par simple passage dans un cristal de Tantalate de Lithium Périodiquement Polarisé (ppLT)11 : le système est alors excessivement simple mais les performances sont – pour l’heure – anecdotiques (1 µW à 340 nm pour 35 mW à 680 nm soit un rendement de 0,0028%) [Mizuuchi 96].
Lasers à longueur d’onde fixe
Les cristaux dopés par l’ion néodyme Nd3+ occupent un rang de choix dans la plupart des sources laser mises au point depuis plus de 20 ans. Cet ion permet en effet une efficacité importante (c’est un système dit « 4 niveaux » efficace, c’est-à-dire avec une section efficace d’émission stimulée importante et un faible peuplement thermique du niveau bas de la transition laser), un seuil laser assez faible, et peut être inséré dans toute une batterie de matrices permettant de disposer d’un éventail de sources possédant des caractéristiques variées (longueurs d’ondes émises, propriétés thermomécaniques, efficacités laser…). La plus connue et la plus utilisée de ces matrices est le grenat d’yttrium et d’aluminium ou YAG (première démonstration d’un laser Nd :YAG16 en 1964, et 1968 en pompage par diode), notamment en raison de ses excellentes propriétés thermiques et de sa grande qualité optique acquise grâce à de nombreuses années d’expérience dans le domaine de la croissance cristalline. D’autres matrices peuvent également être utilisées : YVO4, YLF, verres, aluminates (YAP), GdCOB… Un point commun important de tous les lasers dopés par l’ion néodyme est d’émettre principalement dans le proche infrarouge (typiquement autour de 1060 nm). Plusieurs étages consécutifs de conversion de fréquence sont alors utilisés pour atteindre le visible, puis l’ultraviolet. Nous étudierons les différentes sources existantes en fonction de leur fonctionnement temporel, en commençant par les lasers continus avant de décrire les lasers impulsionnels (déclenchés et verrouillés en phase).
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Table des matières
Introduction
CHAPITRE I : Etat de l’art des source laser ultraviolettes
I. LES LASERS A GAZ
I.1. LASERS A EXCIMERES
I.2. LASERS A AZOTE
I.3. LASERS A ARGON
I.4. LASERS A VAPEUR DE CUIVRE
II. LES LASERS A COLORANTS
III. LES LASERS A SEMI-CONDUCTEURS
III.1. SYSTEMES BASES SUR DES DIODES CONTINUES OU QUASI- CONTINUES
III.2. SYSTEMES BASES SUR DES DIODES LASER IMPULSIONNELLES
III.3. SYSTEMES ACCORDABLES
IV. LES LASERS SOLIDES
IV.1. LASERS A LONGUEUR D’ONDE FIXE
IV.1.1. SOURCES CONTINUES
IV.1.2. LES LASERS A MODES VERROUILLES EN PHASE
IV.1.3. LES LASERS DECLENCHES
IV.2. SYSTEMES LASERS ACCORDABLES
IV.2.1. MATERIAUX LASER EMETTANT DIRECTEMENT DANS L’UV
IV.2.2. GENERATION DES HARMONIQUES DU RAYONNEMENT DE LASERS ACCORDABLES
A. LE LASER SAPHIR DOPE AU TITANE
B. LE LASER « CHROME LISAF »
IV.2.3. UTILISATION D’EFFETS NON LINEAIRES
V. PISTES VERS UNE SOURCE LASER IMPULSIONNELLE PICOSECONDE ACCORDABLE DANS L’UV ET FONCTIONNANT AUTOUR DE 1 MHZ
V.1. LA SOURCE
V.1.1. DECALAGE RAMAN
V.1.2. LASER CONTINU MODULE
V.1.3. DIODE IMPULSIONNELLE AMPLIFIEE
V.1.4. LASER IMPULSIONNEL
V.2. L’AMPLIFICATION
V.3. LA CONVERSION DE FREQUENCE
V.4. STRUCTURE CHOISIE
CHAPITRE II : La source laser
I. MICROLASER ULTRA-COURT DECLENCHE PASSIVEMENT
I.1. PRINCIPE
I.2. QUELQUES ELEMENTS DE THEORIE
I.2.1. DUREE DES IMPULSIONS
I.2.2. CADENCE DES IMPULSIONS
I.2.3. CHOIX DES PARAMETRES
I.3. CONFIGURATION EXPERIMENTALE
I.3.1. LE MICROLASER
I.3.2. LA POMPE
I.4. RESULTATS EXPERIMENTAUX
I.4.1. CADENCE DU MICROLASER
I.4.2. DUREE DES IMPULSIONS PRODUITES PAR LE MICROLASER
I.4.3. ÉNERGIE DES IMPULSIONS
I.4.4. QUALITE SPECTRALE ET SPATIALE DU FAISCEAU ISSU DU MICROLASER
I.4.5. CONCLUSION
II. LASER A VERROUILLAGE DE MODES A CAVITE GEANTE
II.1. PRINCIPE
II.2. DIMENSIONNEMENT THEORIQUE
II.3. RESULTATS EXPERIMENTAUX
II.4. CONCLUSION
III. CONCLUSIONS SUR LA SOURCE
CHAPITRE III : L’amplificateur
I. ETAT DE L’ART DES AMPLIFICATEURS SOLIDES
II. ENTREZ DANS LA 3IEME DIMENSION
II.1. PRINCIPE DE L’ARCHITECTURE DE L’AMPLIFICATEUR 3D
II.1.1. ARCHITECTURE
II.1.2. CHOIX DU CRISTAL
II.2. L’AMPLIFICATEUR 3D A BASE DE CRISTAUX DE ND :YAG
II.2.1. PRINCIPE
II.2.2. RESULTATS
II.2.3. CONCLUSION
II.3. L’AMPLIFICATEUR 3D ND :YVO4
II.3.1. PRINCIPE
II.3.2. RESULTATS
II.3.3. TRANSFERT DE TECHNOLOGIE VERS JDS UNIPHASE
II.3.4. APPLICATION DE L’AMPLIFICATEUR 3D A UNE AUTRE SOURCE
II.3.5. AMPLIFICATION DU MICROLASER HAUTE CADENCE
CHAPITRE IV : Processus non-linéaires
I. QUELQUES RAPPELS D’OPTIQUE NON-LINEAIRE
I.1. LA POLARISATION NON-LINEAIRE
I.2. L’EQUATION D’ONDE
I.3. LA GENERATION DE SECOND HARMONIQUE
I.4. AMPLIFICATION ET GENERATION PARAMETRIQUE OPTIQUE
I.5. L’ACCORD DE PHASE
I.6. LE QUASI ACCORD DE PHASE
I.6.1. CADRE THEORIQUE
I.6.2. ASPECTS TECHNOLOGIQUES DU QAP
I.6.3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS
I.6.4. LES CRISTAUX DISPONIBLES
II. RESULTATS EXPERIMENTAUX
II.1. GENERATION D’HARMONIQUES
II.1.1. À PARTIR DU LASER JDS UNIPHASE AMPLIFIE
II.1.2. À PARTIR DU MICROLASER A 1 MHZ AMPLIFIE
II.2. ACCORDABILITE EN LONGUEUR D’ONDE
II.2.1. GENERATION ET AMPLIFICATION PARAMETRIQUE OPTIQUE
II.2.2. ETUDE PRELIMINAIRE
II.2.3. APPLICATION A LA SOURCE A HAUTE CADENCE
II.3. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES : VERS L’ULTRAVIOLET ACCORDABLE
Conclusion générale
ANNEXES
Le temps de fluorescence – Techniques de mesure et applications biomédicales
Revue des propriétés optiques de quelques cristaux non-linéaires
Influence de la cadence sur l’équation de Frantz et Nodvik
BIBLIOGRAPHIE
Résumé
Remerciements
Publications de l’auteur
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