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RÉSUMÉ
Cet article présente la physique fondamentale des sources lasers à l’état solide, incluant les bases de l’émission laser et les propriétés optiques et électroniques des matériaux lasers. Les principales parties traitent spécifiquement des matériaux lasers comme les cristaux et les verres dopés par les ions de transition ou les ions de terres rares, l’histoire, les diagrammes de niveaux d’énergie, la population des niveaux d’énergie, l’inversion de population, les systèmes à 3 et 4 niveaux, les mécanismes d’absorption et d’émission, les émissions spontanées et stimulées, l’amplification, la cavité laser, l’optique des faisceaux lasers gaussiens, les modes et la cohérence des faisceaux lasers.
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Georges BOULON : Professeur - Institut Lumière Matière, Unité Mixte de Recherche CNRS 5306 - Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France
INTRODUCTION
Cet article sur les fondements des sources lasers à l’état solide est associé avec trois autres articles sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers [AF3276], les cristaux et l’optique non linéaires [AF3278] et la génération d’impulsions lasers courtes (ns) à ultracourtes jusqu’à la femtoseconde (fs) [AF3282].
Il a pour objectif de présenter le thème des sources laser à l’état solide et de décrire les principaux paramètres physiques, essentiellement optiques, nécessaires à une bonne compréhension de leur fonctionnement.
Nous définissons le vocabulaire sur les notions de base comme le pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs, les principaux éléments d’une source laser, les transitions d’absorption et d’émission des centres actifs, la population des niveaux d’énergie et particulièrement des systèmes à 3 et 4 niveaux appliqués aux lasers, les coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite), les sections efficaces d’absorption et d’émission, la durée de vie d’un niveau d’énergie. Enfin, pour la cavité résonnante nous définissons l’intensité émise par le faisceau laser, l’optique des faisceaux gaussiens, les caractéristiques spectrales, les modes et la cohérence.
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- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
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Principaux éléments d’une source laser
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1. Contexte
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Lasers à gaz
Excimères : F2 157 nm, ArF 193 nm, KrCl 222 nm, KrF 249 nm, XeCl 308 nm
Azote N2 : 337,1 nm
Argon : plusieurs raies UV et bleues, 448,0 nm et 514,5 nm
Krypton : 461,9 nm ; 530,8 nm ; 647,1 nm et 676,4 nm
Hélium-néon : 632,8 nm
CO2 : 10,6 µm (10 600 nm)
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Lasers à liquide
Les lasers à colorants recouvrent toute la plage comprise entre 210 nm et environ 900 nm mais en jouant sur le doublage de fréquences (rhodamine 6G entre 546 et 592 nm).
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Lasers à solide
Rubis (Al2O3 : Cr3+) ; 694,3 nm
Saphir dopé Ti3+ (Al2O3 : Ti3+) ; plage de 670 à 1 070 nm
Alexandrite (BeAl2O4 : Cr3+) ; plage de 700 à 830 nm
LiSrAlF6 (LiSAF) : Cr3+ ; plage de 780 à 920 nm
Y3Al5O12 (YAG) : Nd3+ ; 1 064 nm ; doublé à 532 nm ; mélange de 1 064 nm et de 532 nm à 355 nm ; quadruplé à 266 nm
LiYF4 : Nd3+ ; 1 047 nm
Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG) : Nd3+ ; 1 061 nm
Verres de phosphates : Nd3+ ; 1 054 nm
Verres de silicates : Nd3+ ; 1 061 nm
(Pour ces deux verres : plages de 1 030 – 1 100 nm, 900 – 950 nm, 1 320 – 1 350 nm)
YAG : Yb3+ ; 1 030 nm
Verres de silicates : Yb3+ ; plage 1 000 – 1 100 nm
Forstérite Mg2SiO4 : Cr4+ ; plage de 1 167 à 1 345 nm
Verres de silicates : Er3+ ; plage de 1 500 – 1 600 nm avec maximum 1 540 nm
YAG : Tm3+ ; plage de 1 870 à 2 160 nm
1.1 Pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs
Les cristaux et les verres ont d’abord été pompés par des lampes-flashs puis plus récemment par des diodes laser issues des...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Les Lasers et Leurs Applications Scientifiques et Médicales - Édition C. Fabre et J. P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996). 1.1 C. FABRE, Les Lasers – Principes Fondamentaux, pp. 1-40. 1.2 G. BOULON, Matériaux pour Lasers à Solide, pp. 259-286. 1.3. H. MONERIE, Fibres optiques dopées et applications, - pp. 357-382.
-
(2) - BOULON (G.) - Les solides luminescents inorganiques : un dopage réussi. - Numéro spécial de L’Actualité Chimique, no 11 et Lettre des Sciences Chimiques du CNRS, no 72 (1999) pp. 96-105.
-
(3) - KOECHNER (W.) - Solid State Laser Engineering. - Springer, Berlin (1976).
-
(4) - SIEGMANN (A.E.) - An Introduction to Lasers and masers - Mc Graw Hill, New York (1971).
-
(5) - KAMINSKII (A.A.) - Laser Crystals. – Their physics and Spectroscopy, - Springer-Verlag (1981) and (1990).
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