Sources photoniques. Lasers

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1 Sources photoniques Lasers

2 Sources photoniques 3 Lasers : Généralités

3 LASERS : généralités 3.1 Introduction

4 Qu est-ce qu un laser? LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LEDs Photodétecteurs Lasers Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 4

5 LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Trois éléments fondamentaux : Milieu amplificateur = milieu à gain : émission stimulée Pompe : alimentation en énergie Cavité : rétro-action + filtre Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 5

6 Laser Laser = oscillateur optique Le milieu amplificateur suffisamment pompé va amplifier le rayonnement : gain. La cavité re- injecte une partie du rayonnement dans le milieu amplificateur : filtre. L effet laser repose sur l intéraction du milieu amplificateur avec le rayonnement électromagnétique. Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 6

7 Types de lasers Le milieu amplificateur d un laser peut être: Gaz Liquideid Solide Cristaux (YAG) Fibres optiques (télécom) Semi-conducteurs : GaAs, InP, GaN, GaSb Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 7

8 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 8

9 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 9

10 Etendue spectrale accessible par les lasers N.B.: XUV et RX: en labo uniquement Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 10

11 Lasers à gaz Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 11

12 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 12

13 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 13

14 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 14

15 Rendement des lasers usuels Type de laser Puissance électrique typique consommée Puissance optique typique Rendement à la prise Gaz HeCd 1 kw 100 mw % Ar HeNe CO 2 40 kw 100 W 1 kw 4 W 1 mw 10 W 0.01 % 0.01 % 1 % Terres rares dans une matrice solide YAG YAG pompé par diode d laser 1 kw 100 W 1 W 1 W 0.1 % 1 % Semiconducteur 500 mw 50 mw % Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 15

16 Rayonnement laser Les principales propriétés recherchées pour les applications sont: Monochromaticité Cohérence Directivité Intensité / densité de puissance Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 16

17 LASERS : généralités 3.2 Gain du milieu

18 Emission spontanée vs stimulée vs absorption absorption = inverse de l émission stimulée Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 18

19 Absorption vs Emission stimulée Deux «sens opposés» pour un seul phénomène, l intéraction entre la matière et le rayonnement: Absorption = transition du niveau d énergie basse vers le niveau d énergie haute Émission stimulée = transition du niveau d énergie haute vers le niveau d énergie basse Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 19

20 Absorption vs Emission stimulée : un peu d intuition.. Naturellement la distribution de population p est telle qu il y a plus d électrons sur le niveau bas. Pour que l émission stimulée devienne prépondérante il faut qu il y ait plus d électrons sur le niveau haut. Inversion de population!! Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 20

21 Pertes transparence gain I 0 milieu I?? Naturellement, la population occupe majoritairement le niveau bas. L absorption domine : pertes, I < I 0. Quand on fournit de l énergie au milieu (pompe), on augmente progressivement la population sur le niveau haut. Pour un niveau de pompage donné, il n y a plus d absorption : transparence, I = I 0. Si on continue à pomper, la population sur le niveau haut est plus élevée que sur le niveau bas : inversion de population. Le matériau amplifie le signal : gain, I > I 0. Toute «inversion supplémentaire» fournit des photons stimulés. Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 21

22 Loi de Beer-Lambert : absorption & gain I 0 I(x) di I = α dx 0 x I( x) = I0 exp( α x) α>0 Pertes ou absorption (cm -1 ) α<0 Gain ou amplification (cm -1 ) Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 22

23 Pertes transparence gain Pompe : Injection électrique : lasers à semi-conducteurs Pompage optique : lasers à fibres, YAG, doublage fréq Décharge électrique : lasers à gaz Ex : diode GaAs/AlGaAs QW Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 23

24 LASERS : généralités 3.3 Pertes de la cavité

25 Cavité Fabry-Pérot (FP) R 1 R 2 L Cavité la plus simple: deux miroirs plans parallèles. Très simple à mettre en œuvre avec les lasers à semiconducteurs. Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 25

26 1 2 R L R 2 Pertes de la cavité FP Considérons une cavité FP qui comprend un milieu de gain g et pertes internes α i est : En 1 : I(0) Après un aller (2) : I(L)=I(0) exp[(g- α i )L] Après réflexion (3) : I R2 (L) = R 2 xi(l) Après le retour (4) : I R2 (2L) = I R2 (L) exp[(g- α i )L] Après réflexion (1) : I AR (2L) = R 1 xi R2 (2L) I AR (2L) = I(0) x R 1 R 2 x exp[2(g- α i )L] Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 26

27 1 2 R L R 2 Pertes de la cavité I AR (2L) = I(0) x R 1 R 2 x exp[2(g- α i )L] Globalement, on aura amplification si l intensité après un AR est supérieure à l intensité initiale. A la limite : I AR (2L) = I(0) 1=R 1 R 2 exp[2(g- α i )L] g=α i + (1/2L) ln (1/R 1 R 2 ) g=α i + α FP Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 27

28 1 2 R L R 2 Pertes de la cavité α FP = 1 2 L ln 1 R R 1 2 Si R 1 =R 2 =R, α FP = 1 L ln 1 R Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 28

29 Lasers à semiconducteurs Milieu amplificateur: semiconducteur Cavité: faces clivées, miroir, i cavité externe Pompage: injection électrique, pompage optique qques µm es µm qque Face clivée Miroir Semi-réfléchissante Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 29

30 Pertes Fabry-Perot α FP ( n 1) + k ( n + 1) + k 2 2 Pouvoir réflecteur d un matériau d indice complexe N=n-ik : R = R( n) k= n 10 Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 30

31 Pertes Fabry-Perot α FP αfp= 1 ln( 1 ) L R perte es Fabry-Perot Cm -1 tr=0r 0.30 α 3 ( L) α 9 ( L) α 99 ( L) 100 ( ) R= R= L Longueur (µm) Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 31

32 Pertes de la cavité FP Si on veut diminuer les pertes d une cavité FP, il faut augmenter sa longueur. Problème: dans un laser à semi-conducteurs, plus la cavité est longue et plus la probabilité d avoir un défaut est grande compromis à trouver. Si la cavité est courte (ex: VCSELs) il faut des miroirs i à tè très haute réflectivité ité pour limiterit les pertes. Problème: croissance ou dépôt d un miroir de forte réflectivité = opération complexe Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 32

33 LASERS : généralités 3.4 Seuil du laser

34 1 2 R L R 2 Seuil Laser Au seuil le gain compense exactement les pertes intrinsèques du milieu amplificateur plus les pertes à la réflexion sur les mirroirs de la cavité: g th = α i + α FP Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 34

35 Seuil Laser Souvent la cavité occupe un volume V p plus important que le volume V de la zone active. On définit le facteur de confinement Γ =V/V p de la cavité représentant la fraction du mode qui recouvre la zone active. Seule cette fraction du mode pourra être amplifiée et participera au gain. Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 35

36 Seuil Laser La condition de seuil devient alors : Γ.g th = α i + α FP α i = pertes internes (matériau + structure) α FP = pertes de la cavité Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 36

37 1 2 R L R 2 Seuil Laser Chap 3 Sources photoniques - M2 EEA 37