Types et principe de fonctionnement
3.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous présentons en détail le
fonctionnement des lasers les plus utilisés aujourd'hui. Ce sont tout
d'abord les lasers à semi-conducteur, notamment grâce à
leur utilisation pour les télécommunications. Puis les lasers
à gaz, les plus utilisés dans l'industrie avec l'exemple de laser
Ar+. Enfin nous réservons un paragraphe aux autres types du
laser comme le laser chimique, les lasers à fibre et finalement le laser
à électrons libres.
3.2 Lasers à semi-conducteur 3.2.1 Histoire
L'année même où Theodore Maiman
réalisait le premier laser, les français Georges Duraf-fourg et
Maurice Bernard du CNET, déterminaient théoriquement les
conditions nécessaires au fonctionnement d'un laser à
semi-conducteur.
De nombreux laboratoires, aux États-Unis vont alors se
lancer dans la course à la réalisation de ce laser.
L'équipe de Robert Hall, des laboratoires aux États Unis,
parvient la première, en novembre 1962, à réaliser un
laser émettant des impulsions infrarouges. Il faudra attendre encore 8
ans pour obtenir le premier laser continu.
3.2.2 Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du laser à semi-conducteur basait
sur l'insertion dans une cavité un milieu amplificateur, dans lequel on
réalise une inversion de population grâce d'un mécanisme de
pompage. Ici, le milieu amplificateur est un semi-conducteur,
c'est-à-dire un matériau possédant une conductivité
électrique intermédiaire entre un isolant et un métal.
Dans un semi-conducteur, les électrons peuvent occuper
deux ensembles de niveaux d'énergie distincts, séparés par
une région inoccupée. La bande inférieure, regroupant les
niveaux non excités, est la bande de valence. La bande
supérieure, celle des niveaux excités, est la bande de
conduction.
La zone intermédiaire porte le nom: La bande
interdite, La largeur Eg de la bande interdite joue un
rôle analogue à la distance entre deux niveaux discrets d'un
atome, et elle fixe donc la longueur d'onde du rayonnement.
Réaliser l'inversion de population permet donc à
peupler la bande de conduction en dépeuplant la bande de valence.
Autrement dit, l'électron, lorsqu'il est dans la bande de valence, est
lié à la structure cristalline. Lorsqu'il est excité, il
devient un électron libre et laisse un trou libre dans la structure
cristalline. Pour se désexciter, un électron doit
nécessairement trouver un trou pour reprendre sa place autour d'un atome
: on dit qu'il se recombine avec un trou.
FIGURE 3.1 - Représentation schématique des bandes
d'énergie dans un semi-conducteur.
Si l'on applique une différence de potentiel directe
aux bornes de la jonction, les électrons et les trous vont migrer vers
la zone de contact. Le nombre des électrons et des trous augmente et la
recombinaison électron-trou est favorisée. Les photons ainsi
créés constituent une source de lumière non
cohérente : c'est le principe des LED. Pour obtenir un rayonnement
cohérent, c'est-à-dire un laser, il suffit de placer la jonction
P-N dans une cavité et de s'assurer que le pompage - soit le courant
électrique - est suffisant pour compenser les pertes : c'est le principe
de fonctionnement de la diode laser.
3.2.3 La longueur d'onde du rayonnement
La largeur Eg de la bande interdite joue
un rôle analogue à la distance entre deux niveaux discrets d'un
atome, et elle fixe donc la longueur d'onde du rayonnement (fig. 3.2).
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FIGURE 3.2 - Transitions radiatives de bande à bande
dans les semi-conducteurs.
hc
Eg = hí =
(3.1)
ë
hc
ë =
(3.2)
Eg
avec Eg est le gap énergétique
et ë la longueur d'onde du rayonnement.
On remarque que la longueur d'onde est inversement
proportionnelle à l'énergie du gap.
Donc on peut varier la gamme spectrale de fonctionnement, qui
peut être large, entre 0,3 et 30 um suivant le type de matériau
semi-conducteur retenu (fig. 3.3). On peut ajuster la largeur de la bande
interdite en utilisant des alliages et/ou des structures à puits
quantiques.
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FIGURE 3.3 - Choix du laser à semi-conducteur en fonction
de la longueur d'onde.
3.2.4 Principaux avantages
· Le rendement élevé qui peut atteindre 50
· La puissance. Dans l'infrarouge proche, on obtient
facilement plusieurs centaines de mW avec un courant de l'ordre de grandeur de
1A.
· Fonctionnement à la température
ambiante. Aujourd'hui, la plupart des lasers à semiconducteur
fonctionnent à température ambiante ~ 24°C.
Toutefois certains d'entre eux, notamment ceux à bande interdite
étroite qui émettent à des longueurs d'onde plus
élevées, sont maintenus à basse température, entre
10 et 20 K, pour limiter le peuplement de la bande de conduction par simple
excitation thermique.
3.2.5 Exemple : Laser (Al)GaAs
(Al)GaAs est le système de matériaux
semi-conducteurs composés le plus étudié et aussi le plus
utilisé. La raison principale en est le faible décalage de
réseau ?a/a de seulement 1.3x10-3 entre AlAs et GaAs. Cela
rend la fabrication d'hétéro structures facile puisque les
contraintes de contrôle de la composition ne sont pas très
strictes. Alors que les dispositifs électroniques ne nécessitent
généralement que des couches minces d'AlxGa1-xAs
à faible teneur en Al (x < 0.3) où le décalage de
réseau peut facilement être adapté de manière
élastique, la notion d'AlGaAs dont le réseau est adapté
à celui de GaAs n'est clairement pas vraie pour les lasers à
diodes ayant des couches épaisses de gaine et de guide d'ondes à
forte teneur en Al.
L'épaisseur critique de la couche au-delà de
laquelle la formation de dislocations mal adaptées est attendue pour
l'Al0.5Ga0.5As n'est que de 500 nm et pour l'AlAs de 220 nm. Ce fait
doit être gardé à l'esprit, bien que l'AlGaAs se
révèle être plus résistant à la relaxation de
la déformation que prévu théoriquement. Une autre raison
de la prédominance de l'AlGaAs est le fait que l'As est beaucoup plus
facile à manipuler que le P, qui a une pression de vapeur beaucoup plus
élevée et se présente sous différentes
modifications, dont certaines peuvent s'enflammer spontanément.
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3.3 Lasers à gaz
3.3.1 Principe de fonctionnement
Le milieu actif gazeux d'un laser peut être
constitué d'ions, d'atomes, ou encore des molécules.
-- Lorsque les atomes actifs sont neutres ou ionisés,
le pompage réalise l'inversion de population entre deux niveaux
électroniques (fig. 3.4) et la transition est typiquement située
dans l'ultraviolet, le visible ou encore l'infrarouge proche (0, 2um <
ë < 1um).
-- Par contre, si le milieu est moléculaire, la gamme
spectrale peut être beaucoup plus étendue. Elle dépend du
type de transition impliquée dans l'effet laser : transitions
électroniques (0, 2um < ë < 1um), vibrationnelles (5um <
ë < 50um) ou enfin rotationnelles (20um < ë < 1000um).
FIGURE 3.4 - Illustration schématique de l'interaction
matière-rayonnement. La fréquence du rayonnement émis ou
absorbé dépend du type de la résonance mise en jeu: (a)
atomique, (b) vibrationnelle, (c) rotationnelle.
Un laser à gaz est typiquement formé d'un tube
renfermant le mélange gazeux, placé entre les miroirs d'une
cavité résonante. C'est une décharge électrique qui
réalise le pompage du milieu actif dans la plupart des cas. Cependant,
certains lasers sont optiquement pompés. C'est le cas, en particulier,
des lasers émettant dans l'infrarouge lointain comme par exemple le
laser à difluorométhane (CH2F2).
On distingue principalement deux types d'excitation :
· l'excitation directe : les électrons produits
et accélérés dans la décharge électrique,
transmettent par collision une partie de leur énergie cinétique
aux atomes du milieu actif qui atteignent ainsi le niveau supérieur de
la transition laser;
· l'excitation indirecte : on ajoute au milieu actif des
atomes plus facilement excitables que ceux qui sont à l'origine de
l'émission laser, mais qui n'y participent pas directement. Les
collisions assurent ensuite le transfert de l'énergie acquise.
3.3.2 Exemple : Laser à argon ionisé
(Ar+)
Dans le laser à ions d'argon, les collisions
électroniques ultérieures conduisent à l'ionisation des
atomes d'argon et à l'excitation des ions d'argon. Les configurations
des électrons sont les
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suivantes :
· L'Argon Ar : 1s2 2p6 3s2
3p6 .
· L'ion d'Argon Ar+ : 1s2 2p6
3s2 3p5 .
· L'ion d'Argon excité (Ar+)* : 1s2
2p6 3s2 3p4 4p .
Une décharge gazeuse dans un tube en céramique
(diamètre 1-2mm; longueur 1m; refroidi à l'eau) contenant le gaz
argon (pression 0,1 mbar) pompe le laser à ions argon. En raison de la
double excitation, l'efficacité du laser à ions argon est
proportionnelle au carré de la densité de courant dans la
décharge gazeuse. A une puissance électrique élevée
(courant 10 A; tension 5 kV), la puissance de sortie est grande (20W).
L'efficacité du laser est faible (= 0.1 %).
FIGURE 3.5 - Niveaux d'énergie du laser dans l'argon
ionisé.
Niveaux d'énergie du laser dans l'argon
ionisé.
Le pompage comporte deux étapes : les atomes subissent
d'abord une ionisation par collision, puis les ions sont excités vers
des niveaux élevés. Plusieurs collisions sont toutefois
nécessaires pour atteindre les niveaux 3p44p de l'ion (fig.
3.5). Les deux niveaux de la transition laser étant très
élevés par rapport au fondamental, ceux-ci sont pratiquement
vides à température ambiante en absence de pompage. L'inversion
de population est alors très facile à réaliser, d'autant
que le niveau inférieur de la transition laser a une durée de vie
courte.
Certaines liaisons chimiques permettent d'accumuler une
quantité d'énergie qui peut être libérée au
cours de leurs réaménagements. Les lasers chimiques permettent de
convertir une partie de l'énergie stockée en rayonnement optique
cohérent. Ils fonctionnent sur des transitions de rotation et vibration
de molécules dont la plus connue est H(D)F. En restant sur le plan
qualitatif, le principe de l'excitation consiste ici à provoquer la
formation de molécules diatomiques vibrationnellement excitées
(*) :
Il faut fournir de l'énergie pour initier la
réaction c'est-à-dire pour obtenir les agents chimiquement actifs
H et F. Ces molécules se désexcitent en émettant des
photons.
Les lasers à fibre optique sont des lasers en verre. En
comparaison avec d'autres lasers à l'état solide, les lasers
à fibre sont flexibles et simples. Le milieu actif d'un laser à
fibres est un verre qui est dopé avec des ions de terres rares. Les
lasers à fibre optique ont de nombreuses applications dans les domaines
de traitement des matériaux, la chimie, la médecine, la
biologie.
Dans un laser à électrons libres (FEL), un
faisceau d'électrons se déplaçant à une vitesse
proche de la vitesse de lumière est faite pour passer à travers
le champ magnétique (fig. 3.6) généré par une
structure périodique (appelé le onduleur). Le processus
d'émission stimulé se produit l'interaction du champ
électromagnétique du faisceau laser avec ces électrons
relativistes se déplaçant dans la structure magnétique
périodique. Comme dans tout autre laser, deux miroirs
d'extrémité sont utilisés pour fournir pour l'oscillation
laser. Le faisceau d'électrons est injecté dans la cavité
laser, puis dévié la cavité à l'aide d'aimants de
pliage appropriés.
FIGURE 3.6 - Structure de base d'un laser à
électrons libres.
Dans ce chapitre, nous avons parlé de certains types de
lasers comme les lasers à semi conducteurs et les lasers à gaz et
de leur fonctionnement. Nous avons également parlé d'autres types
mais sans détails. Parce que si vous voulez détailler les choses,
vous aurez besoin d'un chapitre pour chaque type, en particulier pour le laser
à électrons libres car il est trop difficile à traiter.
Vous devez tenir compte ses effets quantiques et relativistes qui rendent sa
physique trop compliquée.
