introducuon aux lasers ii. lasers avancés

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  • Introduc)on aux LASERs II. LASERs avancs

    Nicolas Delerue LAL (CNRS) and Universit de Paris-Sud

  • Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 2

    Rappel: fonc)onnement dun laser

    Une source laser est forme dun milieu amplificateur entre deux miroirs.

    Le milieu amplificateur doit tre pomp pour crer une inversion de popula)on.

    CeOe inversion de popula)on permet des missions s)mules.

    Si les condi)ons sont runies ces missions s)mules entranent une rac)on en chane et un faisceau laser sort de la cavit.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 2

  • No)ons de ce cours

    Pompage et diodes lasers Pointeurs lasers Lasers pulss Ordres de grandeur Modes dun laser Changement de longueur donde Lasers de puissance

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 3

  • Mthodes de pompage

    Comme discut prcdemment, le milieu amplificateur dun laser doit tre pomp .

    Le laser rubis tait pomp par des lampes dcharges meOant des flash. - CeOe mthode est trs inefficace car le flash met dans toutes les direc)ons et sur une large bande spectrale => fortes pertes. - Encore u)liss dans certains lasers surtout haute puissance et faible taux de rp))on.

    Des diodes lasers permeOent davoir une mission beaucoup plus monochroma)que et monodirec)onnelle.

    Dans certains cas un laser peut-tre u)lis pour en pomper un autre (par exemple des lasers Nd:YAG sont u)liss pour pomper des Ti:Saphire).

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 4

    hOp://www.princetonoptronics.com/

  • Mthodes de pompage plus exo)ques

    Bien que la plupart des lasers u)lisent un pompage op)que, il existe dautres mthodes: - Les lasers gaz (CO2) peuvent tre pomp par un flux de gaz subissant un changement de temprature pour crer linversion de popula)on. - Des dcharges lectriques sont u)lises dans dautres lasers gaz. - Un courant lectrique est u)lis pour pomper les diodes laser. - Une rac)on chimique peut aussi tre la source de linversion de popula)on.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 5

  • Diodes laser

    Les diodes lasers sont un type par)culier de lasers.

    Ici le milieu amplificateur est un semiconducteur.

    Un courant y circulant peut y former des pairs electron-trou.

    Lorsquune paire se recombine elle met un photon qui put son tour s)muler lmission dautres photons.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 6

  • Diodes laser (2) A cause de la diffrac)on dans le

    semi-conducteur les diodes laser produisent un faisceau trs divergent.

    Par contre elles offrent un trs bon rendement (plus de 50%).

    Les diodes laser sont actuellement le moyen le plus populaire de produire les photons requis pour pomper le milieu amplificateur dun autre laser.

    De nombreuses longueurs donde sont disponible de 375nm plus de 2500nm

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 7

  • Exemple: pointeur laser Il existe de nombreux types de pointeurs lasers.

    Les pointeurs rouges sont les plus simple.

    Ils con)ennent simplement une diode laser meOant 650nm ou 670nm.

    Une len)lle est u)lise pour focaliser le faisceau de la diode.

    Plus tard nous verrons comment fonc)onne un pointeur vert.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 8 hOp://www.repairfaq.org/

  • Laser puls

    Une fois le rgime dquilibre aOeint (en quelques ms) la cavit dont nous avons discut hier met un faisceau con)nu.

    Il est cependant possible de la modifier pour produire un faisceau puls.

    Diffrentes techniques peuvent tre u)lises pour cela: - Pompage puls (simple mais peu prcis) - Q-switch - Blocage de mode (mode-lock)

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 9

  • Laser Q-switch Impulsions de quelques ns

    Dans un laser Q-switch les pertes dans la cavits sont modules.

    Lorsque les pertes sont faibles un impulsion se forme et un mission a lieu.

    Lorsque les pertes sont fortes, le seuil dmission nest plus aOeint et lmission cesse.

    Il existe deux type de techniques de Q-switch: - ac)ve: un lment bloque laccumula)on de puissance dans la cavit. - passive: un composant appel absorbeur saturable absorbe plus dnergie basse puissance que haute puissance, entranant la forma)on dimpulsions courtes.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 10

  • Q-switch ac)f Dans le Q-switch ac)f un interrupteur ,

    par exemple une cellule de Pockels, est insr dans le cavit.

    Quand la cellule est ferme elle bloque la lumire et il ny a pas dmission.

    Quand la cellule souvre, elle laisse passer la lumire permeOant daOeindre les condi)ons ncessaires lmission.

    Dans certains cas lmission consomme toute lnergie du milieu amplificateur ce qui limite la dure de limpulsion.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 11

    21L loss + t2

    21L < loss + t2

    hOp://www.rp-photonics.com/ hOp://www.rp-photonics.com/

  • Absorbeur saturable Un absorbeur saturable est un miroir dont la rflec)vit varie en fonc)on de lintensit de limpulsion incidente.

    Cela entraine un rtrcissement de limpulsion et empche la forma)on dautres impulsions.

    Il existe de nombreux types dabsorbeurs saturables permeOant daOeindre des longueurs dimpulsions diffrentes.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 12 hOp://www.rp-photonics.com/

  • Blocage de mode: Produit temps largeur spectrale

    En mcanique quan)que, la rela)on dincer)tude dHeisenberg indique quil nest pas possible de connatre simultanment la posi)on et lnergie dune par)cule:

    Applique aux impulsions lasers, ceOe rela)on limite le produit entre la dure dune impulsion et sa largeur spectrale.

    Une impulsion laser de moins dune picoseconde doit donc avoir une largeur spectrale dau moins 1nm.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 13

    E.t 2

  • Blocage de mode: Principe

    Le blocage de mode consiste forcer tous les modes du laser avoir la mme phase de manire ce quils sajoutent un moment donn pour former des impulsions trs courtes.

    Avec ceOe technique il est possible dobtenir des impulsions de quelques femtosecondes.

    Le blocage de mode peut-tre ac)f (avec un modulateur) ou passif (avec un absorbeur saturable).

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 14

  • Puissance, Dure, Energie

    La produc)on dimpulsions ultra-courtes permet daOeindre des puissances normes.

    Une puissance crte de 1MW pour un laser picoseconde na rien dexcep)onnel.

    Les lasers les plus puissant aOeignent le PetaWaO (1015 W) mais seulement pour quelques femtosecondes (10-15 s).

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 15

    Puissance =EnergieDuree

    1MW 1 ps = 106W 1012s = 106J

  • Ques)on: Lequel de ces lasers dlivre la plus

    grande puissance moyenne?

    AOen)on: Il ne faut pas confondre puissance crte et puissance moyenne.

    A) Un laser Ti:Saphire rouge dlivrant des impulsions de 10fs, 1TW 0.1 Hz

    B) Un pointeur laser vert de 1mW con)nu C) Un laser Nd:YAG infra-rouge (1064nm) dlivrant des impulsions de 1ps, 1 GW 5 Hz

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 16

  • Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 17

    Indice: Lequel de ces lasers dlivre la plus

    grande puissance moyenne?

    AOen)on: Il ne faut pas confondre puissance crte et puissance moyenne.

    A) Un laser Ti:Saphire rouge dlivrant des impulsions de 10fs (10*10-15s), 1TW (1012) 0.1Hz (10-1)

    B) Un pointeur laser vert de 1mW (10-3) con)nu C) Un laser Nd:YAG (1064nm) dlivrant des impulsions de 1ps (10-12), 1 GW (109) 5 Hz

  • Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 18 Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 18

    Rponse: (c) Le Nd:YAG!

    AOen)on: Il ne faut pas confondre puissance crte et puissance moyenne.

    A) Un laser Ti:Saphire rouge dlivrant des impulsions de 10fs (10*10-15s), 1TW (1012) 0.1Hz (10-1) =>10*10-15*1012*=10-1=10-3W

    B) Un pointeur laser vert de 1mW (10-3) con)nu =>10-3W

    C) Un laser Nd:YAG (1064nm) dlivrant des impulsions de 1ps (10-12), 1 GW (109) 5 Hz =>10-12*109*5= 5*10-3W

    Note: La longueur donde na (presque) rien voir avec la puissance dlivre.

  • Applica)on: Les photo-injecteurs

    PHIL est un photo-injecteur HF, cest dire une source dlectrons, en cours de dveloppement au LAL.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 19

  • Principe dun photo-injecteur

    Dans un photo-injecteur un laser est u)lis pour arracher des lectrons dune cathode

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 20

  • Photo-injecteur (2)

    Les lectrons sont arrachs directement par limpulsions laser, grce leffet photo-lectrique.

    Nicolas Delerue, LAL Orsay Ecole du dtecteur la mesure 2011:

    LASERs 21

    Courtesy Jom Luiten, TUV Eindhoven

  • Nicolas Delerue, LAL O