Laser Nd:YAG pompé par laser diode

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1 Laser Nd:YAG pompé par laser diode B. AMANA, Ch. RICHTER et O. HECKMANN Il est indispensable de lire, outre cette notice en anglais, vos notes de cours et les ouvrages plus complets sur la physique des lasers que vous trouverez en bibliothèque. 1

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25 PARTIE EXPERIMENTALE Le matériel qui vous est confié dans ce TP est très onéreux (environ ). Vous êtes priés d'en prendre un soin extrême. Tout dommage par manque de respect des consignes sera pénalisé. Nous allons décrire ici les différents éléments constituant le laser et présenter la procédure de réglage ainsi que les expériences à réaliser. Les expériences comprennent le montage, l'optimisation et l'étude du fonctionnement d'un laser Nd:YAG continu pompé par diode laser, doublé en fréquence ainsi que l'étude des impulsions courtes. L'accent sera plus mis sur l'aspect effet laser dans un cristal que sur la partie laser à semi-conducteur qui fait l'objet d'un TP spécifique Règles de Sécurité Le module laser à semi-conducteur produit un rayonnement à 805 nm de puissance maximum 500. Le module Nd:YAG (cristal) pompé par le laser à semi-conducteur produit par conversion de fréquence (doublage) un rayonnement à 1064 nm avec une puissance maximum de 100 mw. Aucune de ces fréquences n'est visible en particulier l'infrarouge à 1064 nm et la plus grande attention doit être portée aux points suivants 25

26 TRES IMPORTANTS: - LES PUISSANCES EMISES PAR LA DIODE LASER ET PAR LE LASER Nd:YAG PEUVENT CAUSER DES DOMMAGES IRREMEDIABLES A L'OEIL. IL EST DONC IMPERATIF DE NE JAMAIS METTRE SES YEUX AU NIVEAU DES FAISCEAUX. LE LASER Nd:YAG EST D'AUTANT PLUS DANGEREUX QU'IL EST INVISIBLE (1064nm). - Faire également attention aux réflexions éventuelles sur toute optique (miroir ou autres) placée sur le trajet du faisceau. - Bloquer le faisceau en fin de trajet par un matériau approprié. Règles de propreté - On ne mettra jamais les doigts sur les surfaces optiques actives (fenêtres, miroirs, prisme, étalon, quartz biréfringent, etc.). - En cas de souillure accidentelle, demander l'aide d'un enseignant pour utiliser les moyens appropriés. Ne pas essayer de nettoyer avec n'importe quoi! - Evitez de toucher les surfaces optiques avec la feuille de papier qui sert au réglage. - Pour certains éléments comme les cristaux les dommages peuvent être définitifs s'ils sont touchés avec les doigts. I - Description du matériel composant le laser. Les composants et modules constituant le laser Nd:YAG sont représentés sur les figures suivantes. Leurs caractéristiques et leurs fonctions sont détaillées 26

27 ci-dessous. Chaque élément est repéré par une lettre, en correspondance avec le texte. Figure 1: Composants et modules du laser A : Le module diode laser B : L'optique de collimation C : L'optique de focalisation D : Le support ajustable du cristal Nd:Yag E : Le support ajustable du miroir laser F : Le support du filtre G : Le détecteur photodiode rapide H : Le support ajustable du cristal KTP J : Le support ajustable du Q. Switch passif LS : La monture de miroir laser Chacun de ces éléments est monté sur un support qui est positionné et prérèglé sur le banc optique. 27

28 I- 1 - La diode laser (A) Le module A contient la diode laser à semi-conducteur qui forme le laser pompe. Elle émet principalement dans la gamme spectrale comprise entre 800 et 820 nm. La longueur d'onde varie avec la température de fonctionnement et avec le courant d'alimentation. La diode laser sert à pomper longitudinalement le barreau de Nd:YAG dans sa bande d'absorption autour de 808 nm. Le pompage à ces longueurs d'onde a pour avantages de minimiser l'échauffement du barreau et de fournir un très bon rendement optique (puissance émise/puissance de pompage). La diode est alimentée par un boîtier (décrit plus loin: Controller LDC01) qui permet de régler la température de fonctionnement, le courant d'alimentation et la fréquence de modulation (interne ou externe). La diode est montée sur un support ajustable avec précision en XY. Le Module A contient également la photodiode de régulation de la puissance laser de sortie, un élément Peltier pour assurer le refroidissement de la diode laser ainsi qu'une thermistance pour réguler la température lorsque le laser diode est en route, une lampe de signalisation située au sommet du module A, s'allume. En aucun cas le câble d'alimentation de la diode laser ne doit être déconnecté lorsque le boîtier de contrôle électronique LDCO1 est allumé. La diode laser (qui coûte cher) pourrait sinon être détruite. De toutes façons, ne pas essayer de démonter les vis scellées du connecteur sur le boîtier de contrôle au risque de perdre la garantie. 28

29 Recommandation importante : Afin d'augmenter la durée de vie de la diode laser, il est fortement recommandé, avant toute mise en route du laser (par "Power" ou "Head") ou bien avant de mettre la modulation, de mettre le réglage du courant d'injection à sa valeur la plus faible (potentiomètre "current" sur LDC01). I-2 L'optique de pompage (B et C) L'optique de collimation B a pour but de réduire la divergence très forte de la diode laser. C'est un triplet (assemblage de 3 lentilles) de très courte focale :f=6 mm. L'optique de focalisation C a pour but de focaliser le faisceau collimaté (faisceau parallèle) du laser diode dans le barreau de cristal Nd:Yag. I-3 La cavité optique du laser Nd:Yag (D et E) D et E composent les résonateurs du laser Nd:Yag. Le barreau de cristal Nd:Yag est un petit cylindre de 5 mm de diamètre et de 5 mm de longueur dont les faces actives sont planes et parallèles. Il est installé sur un support interchangeable LS qui est lui-même installé sur le support ajustable D. Les réglages sur les supports ont pour but d'ajuster en les inclinant les divers éléments sur le même axe optique, en particulier les faces des miroirs perpendiculaires à cet axe. La cavité laser Nd:Yad est formée à gauche par le barreau de Nd:Yag dont la face extérieure est recouverte d'une couche à haute réflectivité à 1064 nm, mais qui a une transmission de 80 % environ à la longueur d'onde du laser diode pompe à 805 nm. La face intérieure du cristal est par contre recouverte 29

30 d'une couche antireflet à 1064 nm afin d'éviter de former un étalon FP parasite entre les 2 faces du cristal. Le barreau du Nd:YAG peut être sorti de sa monture si un nettoyage s'avérait nécessaire. Mais bien lire les règles de propreté avant d'entreprendre cette opération avec un enseignant. La cavité laser est formée à droite par un miroir de diamètre 0.5 inch et de rayon de courbure 100 mm. Ce miroir est traité avec une couche de réflectivité 98 %, ce qui permet d'extraire 2 % de l'énergie pour former le faisceau laser utile aux expériences suivantes. Le miroir est monté sur un support LS identique à celui du cristal Nd:YAG, le support étant lui même installé sur le support ajustable (en inclinaison) E. I-4 Le porte-filtres (F) Deux types de filtres sont utilisés avant la photodiode. Suivant la gamme de longueurs d'onde à observer, on filtrera celles qui ne nous intéressent pas. La courbe de transmission des filtres utilisés est donnée en annexe. I-5 La photodiode rapide (G) Elle permet de visualiser sur un oscilloscope les intensités de la diode laser et du laser Nd:YAG à 1064 et à 532 nm, en mode continu ou en mode pulsé. Cette photodiode est reliée au contrôleur par un cordon BNC. I-6 Le cristal doubleur de fréquence (H) Placé à l'intérieur de la cavité, ce cristal non-linéaire KTP génère un faisceau à 532 nm. Afin de réaliser la conversion de fréquence de second harmonique (ou doublage de fréquence, de 1064 à 532 nm), on dispose d'un cristal de KTP (potassium titanyl phosphate) monté sur un support réglable H. Le cristal est un petit cube de 3 mm de côté maintenu par une monture spéciale. Il est 30

31 monté sur un support réglable d'une part en XY et d'autre part avec 2 réglages d'inclinaison (comme E). I-7 Le cristal de LiF, Q-switch passif (J) Le Module J, support ajustable de Q-Switch passif est identique au module H, sauf que le cristal de KTP a été remplacé par une lame de LiF utilisée comme absorbant saturable. Il sert a obtenir des trains d'impulsions laser de très courte durée donc de haute énergie (laser pulsé) à partir du laser continu fabriqué auparavant. I-8 Le contrôleur de la diode laser (LDC 01) L'unité de contrôle LDC01 rassemble toute l'électronique nécessaire au fonctionnement de la diode laser. Cette unité comporte les circuits de régulation de la puissance laser, le contrôle et la régulation de température, le contrôle du courant dans la diode. Il dispose également d'un générateur de modulation du courant de diode et d'un amplificateur pour la photodiode. Nous allons détailler chacun des éléments figurant en face avant et en face arrière du contrôleur. Sur le panneau avant : Température : Le réglage de la température est réalisé par action du potentiomètre à 5 tours. Sa valeur est affichée en degrés C. La stabilisation en température est obtenue en 10 à 30 secondes avec une précision de 0,1 C. Current : Le réglage du courant d'injection de la diode laser est obtenu par action d'un potentiomètre à 5 tours. Sa valeur est affichée en ma. Il est stabilisé à + ou - 1mA. Ce réglage n'est actif que si la modulation ("modulator") n'est pas actif ("OFF"). Modulator : Le courant d'injection peut être modulé soit en interne "INT" soit en externe "EXT", ou bien ne pas être modulé "OFF". - En interne le courant établie par "current" est modulée à la fréquence de modulation réglée par le potentiomètre "Freq" (entre 31

32 0,5 et 60 KHz). Les temps de commutation (à la montée ou à la descente) sont d'environ 1µs. - En externe il peut être modulé par une source externe que l'on aura branché en "EXT.Mod" sur le panneau arrière. Laser : Cette section regroupe l'interrupteur à clé "Head ON OFF" et l'interrupteur de régulation de puissance. Le laser peut en effet fonctionner selon deux modes : avec stabilisation de la puissance de sortie (régulée grâce à une photodiode située dans la tête laser) en position " Power Stab " ou bien en stabilisation de courant seule "Power Unstab". Sur le panneau arrière : LINE : Pour le branchement au secteur et l'interrupteur de marche arrêt. Laser Head : Connecteur à vis Scellée. Ne débrancher sous aucun prétexte (cf. la description du module A). Outre le fait que le laser diode ne peut être débranché sans dommage dès lors que le contrôleur est en route, l'électronique du contrôleur comporte des réglages adaptés à chaque diode laser. Inputs (entrées) : -Photodiode : La photodiode du module G est connectée par un cordon BNC à cette entrée qui est reliée à un amplificateur rapide d'impédance d'entrée 50 Ω et dont le gain peut être réglé entre 1 et 100 par le contacteur "GAIN". -Ext Mod : reçoit ( en relation avec "Modulator") le signal d'une source de modulation externe.cette entrée est à couplage continu et elle reçoit des signaux positifs de 0 à 5V. Outputs (Sorties) : On dispose des signaux de "monitoring" (contrôle) suivants : -Current: réglé à la sensibilité de 5mV/mA 32

33 -Temp: réglé à la sensibilité de 100mV/ C -Photodiode décrit en input donne la sortie de l'amplificateur de photodiode -Int.Mod: TTL. donne le signal du modulateur interne en niveau II- Réglages préliminaires. 1) Relire la recommandation importante du paragraphe I-1. et les consignes de sécurité et de propreté. RESPECTER LA PROCÉDURE DE MISE EN ROUTE DE LA DIODE LASER. RAPPELS IMPORTANTS: avant d'allumer l'alimentation de la diode laser par le commutateur placé à l'arrière, s'assurer que le régulateur de courant est à sa position minimum. Prendre la même précaution avant de tourner la clef sur la position "ON" ou de commuter les boutons de stabilisation et de modulation. Aucune surface optique ne doit être touchée, sinon on risque un dommage définitif, en particulier pour le cristal de KTP. 2) Allumer le contrôleur par le commutateur arrière. 3) Tourner la clef de l'alimentation sur la position "ON". Régler la température de la diode laser à 25 C et le courant à une valeur permettant de visualiser le faisceau de la diode laser sur écran placé devant la photodiode de mesure. 4) Placer la cible d'ajustement (écran avec des cercles concentriques) sur le support G. Placer ensuite le collimateur devant la diode laser (les 2 montures doivent se toucher quasiment) de façon à envoyer un faisceau parallèle sur la 33

34 cible. L'image du faisceau sur la cible doit être une tache rectangulaire que l'on centre avec les vis d'ajustement XY de la diode laser. Voir figure 2. Figure 2 5) Placer la lentille de focalisation à environ 5 cm du collimateur (voir figure 3). Réajuster le centrage du faisceau. Figure 3 6) Trouver le point de focalisation avec une feuille de papier. 7) Placer la monture D contenant le cristal Nd:YAG et centrer le barreau sur le point de focalisation. Voir figure 4. 34

35 Figure 4 III - Etude du spectre d'absorption du cristal Nd:YAG. Cette étude se fait normalement à l'aide d'un spectrographe ou d'un monochromateur à haute résolution. Nous allons la réaliser ici en utilisant la dépendance de la longueur d'onde émise par la diode laser en fonction de la température de la diode et du courant d'injection. 1) Régler la diode à un courant de 350 ma, soit environ deux fois plus élevé que le seuil nécessaire à l'obtention de l'effet laser, comme on le verra plus tard. 2) Remplacer la cible d'ajustement par la photodiode. Cette dernière sera connectée à l'entrée photodiode sur la face arrière de l'alimentation. La sortie photodiode du signal de la photodiode, amplifiée sera reliée à une voie de l'oscilloscope de même que la sortie courant d'injection. On peut alors visualiser le signal modulé à la sortie du barreau de Nd:YAG. 3) S'assurer en faisant varier la température de la diode laser que la photodiode n'est à aucun moment saturée. Sinon l'éloigner un peu plus du barreau de Nd:YAG. (On fera attention aux lumières parasites de la salle qui 35

36 pourraient entacher d'erreur les mesures effectuées avec un gain élevé). 4) En faisant varier la température (du minimum au maximum), noter la tension de la photodiode lue sur l'oscilloscope en fonction de la température (par pas de 2,5 C). Attendre une minute après chaque changement de température. Noter aussi les valeurs correspondant aux minimum et maximum de tension. 5) Soit PA la puissance envoyée par la diode laser sans le barreau et Pi la puissance transmise par le barreau à une température donnée : le taux d'absorption à cette température vaut 1-Pi/PA. Tracer la courbe de la puissance absorbée par le barreau de Nd:YAG en fonction de la température P(absorption du barreau Nd:YAG)=f(T C). On doit observer environ 3 ou 4 pics dont les longueurs d'onde correspondent aux bandes à 804,4 nm; 808,4 nm; 812,9 nm et 817,3 nm (connues par des méthodes spectroscopiques). En comparant la courbe expérimentale obtenue à la courbe ci-dessus représentant le spectre d absorption du Nd :YAG on peut établir une relation entre la température et la longueur d onde d absorption. IV- Etude de la dépendance de la longueur d'onde du rayonnement de la diode laser en fonction du courant d'injection. Cette étude sera menée plus en détail dans le TP spécifique aux diodes laser à semi-conducteur. La longueur d'onde du rayonnement de la diode laser augmente avec la température (de façon quasi proportionnelle mais avec des phénomènes d'hystérésis) et également avec le courant d'injection. 36

37 On se propose dans cette partie, de tracer la caractéristique i injection = f (T) de la diode laser à longueur d'onde d'émission constante. Pour cela on se placera dans des conditions telles qu'on ait le maximum d'absorption (correspondant à 808.4nm). Lorsqu'on fera croître ou (décroître) le courant d'injection on réduira (ou augmentera) la température de façon à se retrouver sur le maximum d'absorption, donc à la même longueur d'onde de 808,4nm. On suivra donc la procédure suivante : 1) Mettre le courant au minimum et régler la température de manière à se situer sur le pic d'absorption maximum (le second). 2) Pour des valeurs de courant allant du minimum au maximum, réajuster la température de manière à avoir le maximum d'absorption (minimum de transmission). Noter à chaque fois les valeurs du courant et de la température. 3) Tracer la courbe I(mA)=f(T C). La variation obtenue est-elle linéaire? V-Etude du laser Nd:YAG. V-1 Réglage du laser Nd:YAG. 1) Régler le courant à 350 ma. Etablir la température correspondant au pic d'absorption maximum à 808,4nm telle qu'elle a été déterminée en IV. 2) Ajuster l'inclinaison du cristal Nd:YAG à l'aide des vis du support D de sorte que les faces du cristal soient perpendiculaires à l'axe optique. Le réglage est facilité par l'utilisation d'un morceau de carton noir percé d'un trou de quelques millimètres de diamètre et placé à la sortie du collimateur. En le déplaçant légèrement autour de l'axe optique, on peut observer le faisceau par retour inverse sur la face d'entrée du cristal. 3) Positionner le support de miroir de sortie E à 11 cm environ de la face d'entrée du barreau Nd:YAG (voir figure 5). 37

38 Figure 5 4) On procédera comme en 2) pour le réglage de l'axe optique du miroir de sortie de la cavité que l'on rendra ainsi parallèle à l'axe optique du système. 5) Insérer le porte-filtre F muni du filtre RG 830 entre le miroir concave et la photodiode afin d'absorber la longueur d'onde du laser pompe et d'observer plus facilement le rayonnement laser. Cependant la longueur d'onde de 1064 nm est invisible et il est nécessaire pour la visualiser d'utiliser l'écran infrarouge fourni (carte jaune de marque Siemens faite d'un matériau convertissant l'ir en lumière visible). 6) Réglage final: En agissant sur les vis d'inclinaison de la monture du miroir puis de celles du barreau on arrive à observer le faisceau Nd:YAG sur l'écran IR et on optimisera le réglage en essayant d'obtenir le faisceau le plus fin et le plus intense possible. En débloquant légèrement la monture du miroir on cherchera à optimiser davantage le réglage en le déplaçant dans les deux sens. On pourra également utiliser pour cela la photodiode connectée à un oscilloscope. Régler enfin le courant de la diode de façon à se placer légèrement au-dessus du seuil laser. Reprendre les différents réglages et optimiser la cavité. Ajuster, au besoin, délicatement la position de la lentille de focalisation. 38

39 V-2 Mesure de la puissance du laser Nd:YAG en fonction de la température de la diode de pompage (donc en fonction de la longueur d'onde de pompe). 1) Régler le courant à 350 ma. 2) Faire varier la température par pas de 2,5 C et noter la tension de la photodiode. Attendre au minimum une minute à chaque changement de température. Relever aussi les valeurs de température correspondant aux maxima et minima de puissance. 3) Tracer la courbe P(laser 1064 nm)=f(t C). V-3 Mesure de la puissance du laser Nd:YAG en fonction du courant d'injection de la diode de pompage à longueur d'onde de pompe constante. 1) Etablir le courant d'injection à sa valeur maximale et régler la température de manière à se situer sur le pic d'absorption à nm (maximum de puissance Nd:YAG). 2) En faisant décroître le courant d'injection du maximum au seuil d'émission, et en ajustant la température de manière à rester sur le pic d'absorption. Noter les valeurs du courant d'injection et de la tension de photodiode. 3) Tracer la courbe P(laser à 1064 nm)=f(i ma de la diode laser). V-4 Détermination de la puissance de pompe seuil. Compte tenu des pertes dans la cavité laser Nd:YAG, il est nécessaire d'injecter une puissance de pompe minimum pour obtenir l'effet laser. A partir de quelle valeur minimum du courant d'injection n'obtient-on plus l'effet laser? Si l'on disposait d'un mesureur de puissance on pourrait alors mesurer la puissance de la diode laser pompe. La valeur minimum observée correspond à 39

40 la puissance seuil nécessaire pour obtenir l'oscillation laser avec le réglage de la cavité que vous avez fait. Meilleur sera le réglage, plus faible sera la puissance seuil. V-5 Observation des modes transverses TEM np Cette observation sera plus facile à faire après doublage de fréquence, mais elle est possible dès maintenant. VI Doublage de fréquence. Introduire le support H du doubleur de fréquence à l'intérieur de la cavité au plus près du barreau de Nd:YAG. Enlever le filtre RG830 et mettre à la place le filtre BG39 afin de supprimer les longueurs d'onde de la pompe et du laser Nd:Yag(voir figure 7). Utiliser un courant de diode laser nettement au-dessus du seuil et agir sur le réglage de H jusqu'à voir le faisceau vert en sortie de cavité. On réglera soigneusement le cristal (cube de 3 mm de côte) en XY pour bien le centrer sur l'axe optique, puis on ajustera son inclinaison pour avoir ses faces perpendiculaires à l'axe optique. Optimiser ensuite les réglages (cavité, position du cristal doubleur, position de la diode de pompage...) pour obtenir le seuil le plus bas. On réalisera alors des mesures identiques à celles décrites en V-2 : P(laser 532 nm)=f(t C) et en V-3 : P(laser 532 nm)=f(i ma). 40

41 Figure 7 Comparer les courbes P(laser 532 nm)=f(t C), P(laser 1064 nm)=f(t C) et P(absorption du barreau Nd:YAG)=f(T C) d'une part et P(laser à 1064 nm)=f(i ma de la diode laser) et P(laser 532 nm)=f(i ma) d'autre part. Commentaires. VII - Opération en mode Q-Switch. Figure 8 Introduire le cristal de LiF sur son support J à l'intérieur de la cavité au plus près du barreau de Nd:YAG comme sur la figure 8. 41

42 Enlever le filtre BG39 et le remplacer par le filtre RG830. Régler le courant de le photodiode au maximum. Ajuster les vis XY et régler l'inclinaison du cristal par les vis appropriés de façon à bien centrer le faisceau sur le cristal et d'orienter ses faces perpendiculaires à l'axe optique du laser. (Ce dernier réglage peut être obtenu au préalable en plaçant le cristal LiF hors de la cavité et en réglant le faisceau de retour; la précision de réglage sur le rail est très bonne et appropriée à une telle procédure). On doit alors observer sur l'oscilloscope les impulsions reçues par la photodiode. En affinant les réglages, on observe sur l'oscilloscope une trace semblable à celle de la figure 9. On a ainsi réalisé un laser déclenché passif Si l'on combine le Q-Switch passif avec la modulation du pompage on doit observer une trace identique à celle de la figure 10. On a ainsi presque réalisé un Q-Switch actif (un Q-Switch actif est en réalité un interrupteur optoélectronique tel qu'une cellule de Pockels). Figure 9 42

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