Lasers accordables

On a souvent tendance à associer le terme de « lasers accordables » aux milieux laser dont la largeur spectrale dépasse plusieurs dizaines de nanomètres (quelques THz en fréquence). L'accordabilité peut prendre cependant une définition plus générale qui indique la capacité d'un oscillateur optique à changer sa longueur d'onde d'émission. Selon la nature des milieux amplificateurs et le type de dispositifs mis en place pour contrôler le spectre, la gamme spectrale peut s'étendre de quelques Hz à une centaine de THz. L'accordabilité peut se faire par saut ou de façon continue. Elle peut être réalisée de façon définitive ou alors donner au laser une certaine agilité en fréquence. Tous les milieux laser sont-ils « accordables » ? On peut se poser la question pour des atomes, des molécules ou des ions dont les diagrammes d'énergie sont simples avec des niveaux quantifiés parfaitement définis, correspondant donc à des longueurs d'onde discrètes. En fait, les niveaux sont toujours élargis par une multitude d'effets physiques dont le plus fondamental est la durée de vie des niveaux impliquant un élargissement spectral par transformée de Fourier. Tous les milieux amplificateurs de lumière utilisant l'émission stimulée sont donc accordables, il faut simplement regarder dans quelle mesure.

On peut même aller plus loin en utilisant des milieux qui ne sont pas basés sur l'émission stimulée mais sur des effets non linéaires. Avec des cristaux non linéaires d'ordre 2, on peut réaliser des oscillateurs paramétriques optiques capables de concurrencer voire de surpasser les sources accordables basées sur l'émission stimulée. En utilisant l'effet non linéaire d'ordre 3 dans des fibres photoniques, on peut générer un continuum de lumière sur une très grande plage de longueurs d'onde et le filtrer pour obtenir une lumière accordable.

L'objet de cet article est de faire le point sur les principes et les performances des « lasers accordables » pris dans le sens le plus général. Le paragraphe 1 décrit les milieux amplificateurs accordables, lasers et non linéaires, en donnant l'origine physique de la largeur des spectres suivant les milieux considérés. Le paragraphe 2 donne les grands principes de l'accordabilité qui est réalisée dans la très grande majorité des cas à partir d'une cavité optique contenant le milieu amplificateur de lumière. Une méthode très courante pour accorder un laser est d'insérer un filtre spectral à l'intérieur de la cavité, c'est pourquoi le paragraphe 3 donne des exemples de filtres spectraux utilisés dans ce but. Le paragraphe 4 donne un exemple de laser accordable : la diode laser. Le paragraphe 5 présente les domaines d'application des lasers accordables.