Présentation
Auteur(s)
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Gilles BRASSART : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Président-directeur général de BM Industries
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Jean-Louis MEYZONNETTE : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Professeur à l’École supérieure d’optique
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Jean-Paul POCHOLLE : Chef du Laboratoire Sources laser pour optronique au Laboratoire central de recherche (LCR) Thomson-CSF
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’avènement des lasers a renouvelé considérablement le domaine de l’optronique, et étendu ses possibilités, en rendant concevables des équipements et des systèmes dits « actifs », qui étaient irréalisables à partir de sources optiques plus traditionnelles, telles que les sources thermiques. Pour de nombreuses applications, les lasers sont en effet les seules sources envisageables, car leur émission peut surpasser de loin celle de leurs concurrentes thermiques par ses caractéristiques spatiale, spectrale, temporelle ou énergétique.
L’un des avantages décisifs des lasers est la possibilité d’obtention de luminances spectriques élevées, donc d’émission de rayonnements à la fois très directifs (la divergence du faisceau peut être limitée par la diffraction dans le cas de lasers monomodes) et quasimonochromatiques : cela permet d’une part d’optimiser un éclairement de cible ou une concentration d’énergie, même sur de longues distances, et d’autre part de simplifier les optiques associées et de filtrer plus efficacement les rayonnements parasites.
L’émission des lasers se prête de plus à des techniques de modulation, et donc de traitement de signal, difficilement envisageables avec des sources thermiques (modulation d’amplitude ou de fréquence, obtention d’impulsions très brèves, accordabilité en longueur d’onde, etc.).
Après un bref rappel théorique, cet article présente l’état de l’art sur différents types de lasers : diodes laser, lasers à gaz CO2 , lasers solides pompés par diodes laser, et s’achève par des considérations sur la sécurité (en particulier oculaire) dans l’utilisation des lasers.
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- Version courante de sept. 2021 par Hugues GUILLET DE CHATELLUS
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4. Lasers solides pompés par diodes laser
4.1 Généralités
On observe un renouveau autour des lasers solides lié à l’émergence et au développement des diodes lasers de puissance. Cet engouement repose sur la grande variété des longueurs d’onde pouvant être émises par les diodes et qui peuvent s’adapter à des bandes d’absorption (d’excitation) spécifiques aux ions terres rares autour desquels se sont développés de nombreux systèmes lasers. Elles sont directement reliées aux composés semiconducteurs employés, au développement des méthodes modernes de croissance (épitaxie) de matériaux semiconducteurs et à la mise en œuvre du génie quantique sur ces matériaux (emploi de structures à puits quantiques).
Le concept de pompage optique de matériaux solides à partir de composés semiconducteurs émerge avec le développement du laser dans les années 60. À l’époque, les matériaux semiconducteurs sont excités par faisceau d’électrons à basse température. Avec le développement des technologies et les progrès réalisés autour de la physique des hétérojonctions complexes, cette idée fut reconsidérée à partir des années 70 et prit son essor dans les années 80.
Le pompage par diodes présente la particularité unique de pouvoir délivrer sélectivement de la puissance optique en ajustant le spectre d’émission à celui d’une bande d’absorption efficace de l’ion actif. Cette propriété contraste avec celle caractérisant le pompage par flash ou par lampe qui délivre une puissance de pompe sur un large domaine spectral. L’emploi de diodes a les conséquences suivantes.
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Accroissement de l’efficacité de pompage
Sachant que le rendement de conversion optique /électrique d’une diode laser de puissance est typiquement compris entre 40 et 50 %, le rendement global à la prise électrique (puissance moyenne optique /puissance électrique) du laser solide pompé optiquement, intégrant le rendement de conversion primaire et l’ajustement spectral sur une bande d’absorption de l’espèce à exciter, est compris entre 5 et 30 % selon le mode de fonctionnement, selon la nature de l’ion actif et l’architecture du laser. Cette grandeur est à comparer aux résultats observés sur les lasers pompés par flash ou lampe (0,01 à quelques pourcent).
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