Georges BOULON

Découvrez la nécessité de disposer de sources laser à impulsions de plus en plus brèves. Sont détaillées toutes les méthodes nécessaires à leur déclenchement, aux échelles de la nanoseconde et de la picoseconde, puis à celle de la femtoseconde.

La croissance cristalline de monocristaux biréfringents uniaxes a donné un essor important à l’optique laser non linéaire. Constituées d’une diode laser, d’un cristal laser inorganique dopé et d’un cristal non linéaire, les sources laser dites « tout solide » sont devenues résistantes et compactes.

Découvrez la physique des matériaux luminescents inorganiques émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge). Les lasers recherchés aujourd’hui sont compacts, transportables, continus ou à impulsions, souvent avec pompage par diodes lasers de puissance dans le proche infrarouge.

La bonne compréhension du fonctionnement des sources laser est gouvernée par la connaissance d'un grand nombre de paramètres optiques : longueurs d’ondes d’émission, durée de vie des niveaux excités, modes de cavité résonante… Des avancées considérables ont été conduites depuis le premier laser à cristal de rubis.

La technologie évoluant, les impulsions délivrées par les sources laser sont passées progressivement de la milliseconde par un simple procédé mécanique, à la nanoseconde par déclenchement électro-optique d’un cristal non linéaire, puis à la picoseconde par verrouillage des modes d’une cavité laser jusqu’à l’échelle de la femtoseconde par l’effet non linéaire. Après quelques rappels, cet article décrit les éléments de base des techniques physiques de génération et de propagation des impulsions laser, avant de présenter les applications des lasers à impulsions ultracourtes.

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.

Cet article présente la physique des matériaux luminescents inorganiques appliqués aux lasers (cristaux, verres, aujourd’hui céramiques transparentes) émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge). Les raies d’émission sont soit des raies fines surtout avec les ions de terres rares pour les sources lasers à longueurs d’ondes fixes, soit des bandes larges avec les ions de transitions pour les lasers à longueurs d’ondes accordables. On décrit les tendances de l’évolution de ces sources lasers dites «tout solide» continues ou à impulsions (ns-ps-fs), pompées par des diodes lasers de puissance.

Le potentiel des effets d’optique non linéaires a véritablement été découvert avec les premières sources laser et leurs champs électriques monochromatiques intenses. L’ensemble des phénomènes exploités et bien connus en optique non linéaire, comme la génération du second du troisième harmonique, l’effet Pockels, l’effet Kerr, la diffusion Raman stimulée, la conjugaison de phase, sont abordés tour à tour dans cet article. Les cristaux à propriétés optiques non linéaires, notamment les monocristaux biréfringents uniaxes ou à domaines périodiques alternés, ont ainsi donné un essor important à l’optique laser non linéaire.