IBTS-77-RP-1000
Les lasers à gaz
Les lasers à gaz furent historiquement les premiers lasers émettant dans l’ultraviolet. En effet ils possèdent des raies aux longueurs d’ondes infra-visibles et possèdent des propriétés (fort gain, pompage électrique, puissance de sortie, coût…) les rendant particulièrement intéressants pour de nombreuses applications industrielles.
Lasers à excimères
A ce jour, le laser UV le plus utilisé dans l’industrie est le laser dit « excimère » (abréviation de l’anglais «excited dimers» car les molécules mises en jeu comportent seulement deux atomes et n’existent qu’à l’état excité). Le principe est le suivant : une molécule composée de deux atomes de gaz rare ne peut être stable (existence d’un état lié) que suite à une forte excitation énergétique ionisant les atomes. L’état lié alors créé constitue le « niveau haut » du laser (de durée de vie très courte, quelques nanosecondes), tandis que l’état fondamental est par nature toujours dépeuplé puisque les atomes se dissocient alors : l’inversion de population est donc réalisée dès qu’une molécule est créée. L’émission laser se fait entre deux niveaux moléculaires électroniques, ce qui correspond à une longueur d’onde ultraviolette. Le laser excimère fut inventé en 1970 en URSS par Basov, Danylchev et Popov [Basov 70] à partir d’un gaz de Xenon (Xe2) à basse température pompé par un faisceau d’électrons : la longueur d’onde d’émission était alors de 172 nm. Par la suite, de nombreux autres lasers excimères ont été développés, couvrant quasiment l’intégralité du spectre UV . Les lasers excimères émettent des impulsions d’une durée variable entre la picoseconde et la microseconde, et peuvent atteindre des puissances moyennes de plusieurs centaines de Watts.
C’est par conséquent un outil extrêmement utilisé pour toutes les applications de découpe, de marquage ou pour la photolithographie. Une application relativement récente et très prometteuse est l’utilisation en ophtalmologie de lasers excimères pour corriger la myopie . Cependant, ces lasers sont complexes, encombrants et coûteux (plusieurs dizaines de milliers d’euros). De plus, le gaz utilisé est généralement très toxique, rendant sa maintenance dangereuse. Pour toutes ces raisons, il est souvent intéressant de trouver des solutions alternatives à ces lasers.
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.
Lasers à Argon
D’autres gaz que l’azote peuvent être utilisés pour générer un rayonnement ultraviolet : les lasers à argon ionisé par exemple possèdent des raies d’émission à 351 et 364 nm, alors que la classique raie à 514 nm peut être doublée en fréquence pour atteindre 257 nm [Bergquist 82] [Taira 92]. On peut également utiliser la raie à 488 nm et la doubler, et ainsi générer un rayonnement à 244 nm (on peut citer par exemple le système Fred® vendu par Coherent). Ces lasers sont simples, peu chers, et permettent d’obtenir un rayonnement continu puissant avec une excellente qualité spatiale. Plusieurs Watts d’ultraviolet sont ainsi disponibles pour peu qu’on utilise un système de gestion des effets thermiques soigné : en effet, comme tous les lasers à gaz le laser à argon est peu efficace (environ 0,1%) et nécessite par conséquent un système de refroidissement performant: ce sont souvent des systèmes à eau peu pratiques, même s’il existe maintenant des laser argon refroidis par air plus compacts – mais aussi moins puissants – que leurs prédécesseurs (BeamLok® de SpectraPhysics par exemple). Les applications des lasers « visibles » à argon sont nombreuses, du pompage d’autres lasers (comme les lasers à base de cristaux de saphir dopés au titane) à la création de spectacles et shows lasers où leurs couleurs bleues-vertes font le bonheur des petits et des grands (on peut également obtenir du rouge en utilisant un laser à Krypton).
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.
Cependant, la maintenance de ces lasers à colorant est rendue pénible par la nécessité de renouveler régulièrement le milieu amplificateur (les colorants se dégradent rapidement) et le caractère toxique des liquides employés. De plus ces sources sont généralement pompées par des lasers à gaz (Argon par exemple) ce qui les rend encombrantes et peu efficaces. Elles restent cependant utilisées dans le milieu industriel : Quantel vient de mettre sur le marché un laser à colorant (TDL90 pompé par un laser Nd :YAG doublé « YASMIN® ») fonctionnant à 120 Hz, et fournissant à 560 nm une puissance moyenne de 6 W. Les sources à base de lasers à colorants sont également étudiées en recherche car elles constituent un moyen simple d’obtenir une large accordabilité.
Les lasers à semi-conducteurs
Les qualités intrinsèques des diodes laser en font des candidates de choix pour réaliser des sources ultra-compactes, fiables et efficaces en termes de rendement électrique-optique. Ceci est particulièrement vrai dans le domaine ultraviolet où une des applications essentielles, à savoir la spectroscopie, requiert souvent des dispositifs portables : elle est par conséquent friande de sources compactes et robustes. Deux voies sont principalement étudiées pour réaliser des sources UV à base de diodes laser : la première consiste à travailler directement sur la structure de la diode et la nature des matériaux employés (nitrure de gallium) pour créer une diode émettant directement dans l’ultraviolet, tandis que la seconde utilise les diodes actuelles, extrêmement efficaces dans le proche infrarouge, pour atteindre l’UV par conversion de fréquence.
La première approche est particulièrement prometteuse : le premier système commercial de diode laser ultraviolette a été mis sur le marché en 2002 par la société IBH, et est basé sur une diode laser à 375 nm mise au point par la compagnie Nichia au Japon. Récemment (janvier 2003) la société Point-source a lancé une diode produisant 1 mW TEM00 à 370 nm . Bien que leur longueur d’onde sorte légèrement du cadre défini de l’ultraviolet, on peut également signaler les fameuses diodes bleues développées par Nakamura (pour Nichia à l’époque) et qui promettent de révolutionner le monde du stockage d’information. Il existe aussi des diodes lasers impulsionnelles (déclenchées par le gain) produisant des impulsions courtes dans l’UV à une cadence de répétition ajustable (par exemple les diodes laser LDH de la société Picoquant fournissent des impulsions de quelques dizaines de picosecondes à 375 nm, avec cependant une énergie de moins de 5 nJ par impulsion…).
La seconde approche est plus mature : il existe en effet des diodes lasers performantes dans l’infrarouge ; pour atteindre l’ultraviolet, il est alors nécessaire de mettre en œuvre une série d’étages non-linéaires plus ou moins efficaces et plus ou moins simples. La théorie concernant ces effets non-linéaires est connue depuis des décennies (on en trouvera des exposés complets dans [Kleinman 72][Koechner 76][Shen 76] par exemple) et ne sera pas développée ici : on rappellera simplement que l’efficacité des conversions non linéaires est liée d’une part à la densité de puissance spatio-temporelle (en d’autres termes la puissance crête et la qualité de faisceau) et à la largeur spectrale [Eimerl 87] de la source de pompe, et d’autre part aux cristaux non-linéaires utilisés. Un large panel de cristaux est à la disposition des expérimentateurs, qui font leur choix en fonction des spécificités de leurs systèmes lasers.
Systèmes lasers accordables
Matériaux laser émettant directement dans l’UV
Le moyen le plus simple conceptuellement pour obtenir un rayonnement laser ultraviolet – sans prendre un rayonnement infrarouge et de le convertir en fréquence– est d’utiliser un milieu amplificateur ayant directement une transition laser dans le domaine spectral UV. Et de tels matériaux existent : ce sont les ions terres rares trivalents tels que le Cérium (Ce3+) – essentiellement – le Néodyme (Nd3+), le Praséodyme (Pr3+)… Ces ions possèdent des transitions dipolaires électriques permises entre le niveau 4f et le niveau 5d, dont la position exacte dépend beaucoup de la matrice hôte utilisée, mais qui sont très larges spectralement (donc susceptible de fournir un rayonnement accordable) et se trouvent dans la région ultraviolette du spectre (par exemple entre 260 et 500 nm pour l’ion Ce3+ pour lequel les recherches les plus avancées ont été effectuées). Il n’est pas question ici de décrire les propriétés spectroscopiques de ces ions ni de faire une revue exhaustive des lasers de ce type développés depuis 25 ans (le lecteur intéressé pourra se reporter à [Joubert 03] ou à l’ouvrage Ultraviolet spectroscopy and UV lasers (P. Misra, M.A. Dubinskii eds, Dekker 2002), et en particulier aux chapitres 8 (Sarantopoulou et al.), 9 (Moncorgé) et 11 (Liu et al.) qui présentent un état de l’art complet des lasers UV à base d’ions trivalents dans des matrices fluorées. Les lasers de ce type présentent l’intérêt d’émettre dans une bande de longueur d’onde relativement étendue, ce qui en fait des sources accordables de premier choix. Le seul inconvénient a priori est que la longueur d’onde de pompe doit être très basse – ce qui a conduit à utiliser des lasers excimères [Ehrlich 80] comme pompe lors des premières démonstrations – mais nous avons vu qu’il était maintenant possible de fabriquer des lasers UV puissants par conversion en fréquence de lasers solides.
Génération des harmoniques du rayonnement de lasers accordables
La façon la plus courante et la plus pratique de réaliser une source accordable dans l’ultraviolet est de tirer parti des bandes de gain exceptionnellement larges de certains cristaux dans l’infrarouge cette fois, en particulier – mais pas seulement – le Saphir dopé au Titane.
A. Le laser Saphir dopé au Titane Depuis sa découverte [Moulton 86], l’ion de titane inséré dans une matrice de saphir (Ti :Al2O3 ou plus simplement Ti :Sa) est le maître incontesté des cristaux pour lasers solides accordables en longueur d’onde [Steele 91]. On peut noter ici que la plage d’absorption du laser saphir dopé au titane se trouve essentiellement dans la partie bleue-verte du spectre électromagnétique, avec un pic autour de 500 nm, domaine de longueurs d’onde où il n’existe pas de diodes laser. Les concepteurs de lasers Ti :Sa se voient donc obligés d’utiliser comme pompe des lasers auxiliaires (à Argon ou solides dopés néodyme puis doublés en fréquence) : la complexité, le rendement électrique-optique et l’encombrement souffrent de cette situation. Le laser saphir dopé au titane permet de générer un rayonnement infrarouge sur plus de 300 nm (de 680 nm à 1060 nm environ en utilisant plusieurs jeux de miroirs) et – même si ce n’est pas le sujet qui nous intéresse ici24 – de produire des impulsions ultra-brêves (quelques femtosecondes). La plage d’émission du laser Ti :Sa permet d’envisager par doublement et/ou triplement de fréquence d’obtenir une large accordabilité dans l’ultraviolet.
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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
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