Lasers generalites

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Lasers generalites

Composants photoniques
Chapitre 4 : Lasers
4.1. Généralités
LASERS
4.1.1 Introduction
Qu’est-ce qu’un laser ?
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser = oscillateur optique
Chap 4.1
Composants photoniques - M2
EEA
3
Laser

Trois éléments fondamentaux :
– Milieu amplificateur : milieu à gain, émission stimulée
– Pompe : alimentation en énergie
– Cavité : rétro-action + filtre

Le milieu amplificateur suffisamment pompé va
amplifier le rayonnement : gain. La cavité reinjecte une partie du rayonnement dans le milieu
amplificateur : filtre.
L’effet laser repose sur l’intéraction du milieu
amplificateur avec le rayonnement
électromagnétique.
Chap 4.1
EEA
4
Types de lasers

Le milieu amplificateur d’un laser peut être:
– Gaz
– Liquide
– Solide
• Cristaux (YAG)
• Fibres optiques (télécom)
• Semi-conducteurs : GaAs, InP, GaN, GaSb
Chap 4.1
EEA
5
Lasers à gaz
Chap 4.1
EEA
6
Chap 4.1
EEA
7
Rendement des lasers usuels
Type de laser
Puissance
électrique
typique
consommée
Puissance
optique typique
Rendement à la
prise
Gaz
HeCd
Ar
HeNe
CO2
1 kW
40 kW
100 W
1 kW
100 mW
4W
1 mW
10 W
0.002 – 0.02 %
0.01 %
0.01 %
1%
Terres rares
dans une
matrice solide
YAG
YAG pompé
par diode laser
1 kW
100 W
1W
1W
0.1 %
1%
500 mW
50 mW
10 – 60 %
Semiconducteur
Chap 4.1
EEA
8
LASERS
4.1.2. Gain du milieu
Emission spontanée vs stimulée vs absorption
absorption = inverse de l’émission stimulée
Chap 4.1
EEA
10
Absorption vs Emission stimulée

Deux « sens opposés » pour un seul phénomène induit
par 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 4.1
EEA
11
Absorption vs Emission stimulée

Naturellement la distribution de population 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 4.1
EEA
12
Pertes – transparence – gain

A l’équilibre, l’absorption domine : pertes.
Quand on « pompe » le milieu, on augmente la population sur le
niveau haut, on inverse la population. Pour un niveau de
pompage donné, il n’y a plus d’absorption : transparence.
Si on continue à pomper, le matériau amplifie : gain. Toute
« inversion supplémentaire » fournit des photons stimulés.
Ex : GaAs/AlGaAs QW
Chap 4.1
EEA
13
Loi de Beer-Lambert : absorption & gain
I
dI
I - dI
x
dI
= − α × dx
I
x + dx
I = I0×exp(−αx)
Chap 4.1
α >0
Pertes ou absorption (cm-1)
α <0
Gain ou amplification (cm-1)
EEA
14
LASERS
4.1.3. Pertes de la cavité
Cavité Fabry-Pérot (FP)
R2
R1
L

Cavité la plus simple: deux miroirs plans parallèles.
Très simple à mettre en œuvre avec les lasers à semiconducteurs.
Chap 4.1
EEA
16
R1
1
2
3
4
R2
Pertes de la cavité FP
L
Considérons une cavité FP qui comprend un
milieu de gain g et pertes internes αi est :
En 1 : I
Après un aller (2) : I(L)=I(0) exp[(g- αi)L]
Après réflexion (3) : IR1(L) = R1 x I(L)
Après le retour (4) : IR1(2L) = IR1(L) exp[(g- αi)L]
Après réflexion (1) : IR1R2(2L) = R2 x IR1(2L)
IAR(2L) = I(0) x R1R2 x exp[2(g- αi)L]
Chap 4.1
EEA
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R1
1
2
3
4
R2
Pertes de la cavité
L
IAR (2L) = I(0) x R1R2 x exp[2(g- αi)L]
Globalement, on aura amplification si l’intensité après
un AR est supérieure à l’intensité initiale.
A la limite : IAR(2L) = I(0)
⇒ 1 = R1R2 exp[2(g- αi)L]
⇒ g = αi + (1/2L) ln (1/R1R2)
⇒ g = αi + αFP
Chap 4.1
EEA
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R1
1
2
3
4
R2
Pertes de la cavité
L
1
1
α FP = 2 L ln
R1 R2
–
Si R1 = R2 = R,
1 1
α FP = L ln R
Chap 4.1
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Pertes Fabry-Perot αFP
(n−1)2+k 2
R=
(n+1)2+k 2
Pouvoir réflecteur d’un matériau
d’indice complexe N=n-ik :
0.669
0.8
0.6
0.4
R ( n)
0.2
0
0
k=0
0
1
Chap 4.1
2
4
6
8
n
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10
10
20
Pertes Fabry-Perot αFP
αFP = 1 ln( 1 )
L
R
1 .10
pertes Fabry-Perot
Cm-1
3
α 3( L)
R=0.30
100
α 9( L)
α 99( L)
R=0.90
10
R=0.99
1
1
10
100
1 .10
3
L
Longueur (µm)
Chap 4.1
EEA
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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
mirroirs à très haute réflectivité pour limiter les
pertes.

Problème: croissance ou dépôt d’un miroir de forte
réflectivité = opération complexe
Chap 4.1
EEA
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LASERS
4.1.4. Seuil du laser
R1
1
2
3
4
R2
Seuil Laser
L

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 = αi + αFP
Chap 4.1
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R1
1
2
3
4
R2
Seuil Laser
L
Chap 4.1
EEA
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LASERS
4.1.5. Modes de la cavité
R1
1
Modes dans cavité Fabry-Pérot
2
3
4
R2
L

Le déphasage entre les ondes « aller » et
« retour » vaut:
φ =2π δ
λ
avec
δ = 2 Lxn = 2nL

Interférences constructives pour

Soit :
Chap 4.1
φ = 2mπ
2nL
2nL = mλ ou encore λ m =
m
EEA
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Espacement intermodes dans une cavité Fabry-Pérot
R1
1
2
4
3
2nL = mλm
R2
m = 2nL/ λm
L

Si on considère n = cste:
2nL
2nL
dm
dλ m
λ m = m ⇒ d λ m = −2nL m2 ⇒ dm = − m2
dλ
dm
m
=−
λm
2
2nL
Espacement intermodes: Δλ= λ2/2nL
Chap 4.1
EEA
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