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Auteur(s)
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Antoine HIRTH : Docteur en Sciences Physiques - Responsable du groupe Optronique et Physique du laser à l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis
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Parmi les sources lasers, ce sont celles basées sur les matériaux solides qui connaissent aujourd’hui les développements les plus spectaculaires. Les progrès réalisés sont dus principalement à trois facteurs :
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le développement de nouveaux matériaux issus de la cristallogénèse de nouvelles matrices cristallines avec différents dopants ;
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le pompage par diodes lasers qui permet par rapport au pompage en lumière incohérente par lampes d’obtenir des rendements élevés (jusqu’à 20 %), une durée de vie accrue et un encombrement réduit ;
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la mise en œuvre des propriétés non linéaires de certains cristaux qui permettent de modifier les longueurs d’onde fondamentales émises de façon à couvrir tout le spectre depuis l’UV jusqu’à l’IR moyen (200 nm à 12 µm).
Les différentes techniques de mise en forme temporelle des émissions lasers (modulation, déclenchement et couplage de modes) appliquées aux sources solides permettent d’obtenir tous les modes de fonctionnement souhaités : fonctionnement en régime continu ou pulsé répétitif à haute cadence avec des durées d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde (10 –15 s).
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Physique du laser Physique du laser ;
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Lasers à gaz Lasers à gaz.
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2. Lasers à semi-conducteur
2.1 Physique
Dans un semi-conducteur, les paires électrons-trous corres-pondent à des états excités. Lors de la recombinaison, l’énergie de liaison peut être libérée sous forme radiative, si celle-ci n’est pas en compétition avec d’autres processus. Dans un semi-conducteur polarisé en direct, la durée de vie de la radiation spontanée est très courte (10 –10 à 10 –9 s), ce qui entraîne un gain très élevé dans un système en inversion de population.
Pour éviter que le rayonnement puisse être absorbé, on s’arrange pour que le gap énergétique soit supérieur à l’énergie hν du photon ; cela est réalisé lorsque les électrons dans la limite inférieure de la bande de conduction viennent se recombiner avec les trous dans la partie supérieure vide de la bande de valence (système à quatre niveaux).
Cette condition est réalisée dans les semi-conducteurs dégénérés à très fort dopage.
Dans une jonction PN, l’inversion est obtenue lorsque l’on fait circuler un courant en appliquant une tension voisine de ΔE/e. ΔE étant le gap énergétique entre les deux bandes et e la charge de l’électron (figure 1). Les longueurs d’ondes émises dépendent de ΔE, donc des matériaux constituant la jonction PN.
GaAs émet vers 890 nm, GaSb vers 1 870 nm, InP vers 970 nm, etc.
L’épaisseur de la jonction PN est de l’ordre du micromètre. Le guidage sur un certain trajet entouré de matériau qui risque d’absorber le rayonnement émis devenant important a obligé à développer des techniques particulières de ces jonctions. Comme l’indice de réfraction est très élevé (3 à 4), les coefficients de réflexion des faces de sortie sont élevés (plus de 30 %). Les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs sont très sensibles à la température (dispersion, indice de réfraction, longueur d’onde d’émission).
Les diodes laser à semi-conducteur actuelles, suivant les matériaux et le dopage émettent sur des plages de longueurs d’onde bien distinctes.
GaAlAs entre 750 et 880 nm, InGaAsP entre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOKTA (M.R.) - Growth of Crystals for Solid State Lasers. - Springer Verlag. Tunable solid state lasers p. 105, 1985.
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(2) - KAMINSKI (A.A.) - Laser Crystals. - Springer Series in optical sciences, vol. 14, 1981.
-
(3) - KOECHNER (W.) - Solid-State Laser Engineering. - Springer series in optical sciences, vol. 1, 1996.
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