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Article

1 - FONCTIONNEMENT DES LASERS À IMPULSIONS BRÈVES

2 - ABSORBANTS SATURABLES PASSIFS

3 - DIFFÉRENTS TYPES DE MATÉRIAUX ET PARAMÈTRES ASSOCIÉS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6362 v1

Absorbants saturables passifs
Matériaux absorbants saturables passifs pour lasers à impulsions brèves

Auteur(s) : Richard MONCORGÉ

Relu et validé le 03 oct. 2023

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RÉSUMÉ

De nombreuses méthodes ont été mises en œuvre pour obtenir des fonctionnements laser à impulsions brèves - de quelques femtosecondes à quelques dizaines de nanosecondes - mais c’est bien l’utilisation des matériaux solides dits "absorbants saturables" qui offrent le plus de possibilités et les meilleurs résultats au coût le moins élevé.

Cet article fait le point sur les différents types de matériaux utilisés, lesquels se distinguent tant par leur composition que par leur morphologie, en décrivant à la fois leurs caractéristiques optiques respectives sur la base des modèles et expressions théoriques les plus appropriés, ainsi que les régimes de fonctionnement laser qu’ils permettent d’atteindre.

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ABSTRACT

Passive saturable absorbers for short-pulse lasers

Numerous methods have been implemented to obtain short-pulse laser operations - from a few femtoseconds to a few tens of nanoseconds - but it is the use of so-called solid-state saturable absorbers which offer the more opportunities and the best results at the lowest cost.

This article reviews the different types of materials used, which differ both in composition and morphology, describing both their respective optical characteristics, based on the most appropriate theoretical models and expressions, as well as the laser operating regimes that they allow to achieve.

Auteur(s)

  • Richard MONCORGÉ : Professeur émérite à l’université de Caen - Ex. Directeur de recherche au CNRS Laboratoire CIMAP (Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique) UMR 6652 CEA-CNRS-ENSICAEN (France)

INTRODUCTION

Les lasers à impulsions brèves, en permettant de délivrer des puissances crêtes extrêmement élevées, de quelques kilowatts à quelques dizaines de pétawatts, en un temps extrêmement court, de quelques femtosecondes à quelques dizaines de nanosecondes, permettent une multitude d’applications dans des domaines aussi divers que :

  • le marquage, le perçage, la découpe et la soudure des matériaux à l’échelle micrométrique ;

  • la chirurgie réfractive de l’œil et de la cataracte ;

  • la production de rayons X et l’accélération de particules pour l’imagerie et le traitement des tumeurs cancéreuses ;

  • l’étude des réactions chimiques ;

  • la physique des plasmas chauds ;

  • la fusion thermonucléaire par confinement inertiel ;

  • etc.

Il s’agit donc d’un domaine de recherche et développement très actif en constante évolution qui motive les travaux de nombreux chercheurs et industriels.

Suivant le domaine d’application, la source laser la mieux adaptée devra délivrer des impulsions plus ou moins courtes, d’énergie (en Joule) et/ou d’intensité (en W/cm2) plus ou moins élevées, à la cadence et la longueur d’onde les plus appropriées.

De fait, différentes techniques et différents types de matériaux devront être souvent envisagés pour réaliser le laser qui conviendra le mieux pour telle ou telle application, et le choix se fera, non seulement en fonction de l’efficacité de la source laser en question, mais aussi en fonction de sa facilité de mise en œuvre et de son coût.

Le présent article se propose ainsi de mettre l’accent sur les techniques de déclenchement et de verrouillage de modes dites « passives » utilisant des matériaux à absorption saturable, techniques et matériaux permettant de réaliser des sources laser émettant du visible jusque dans le moyen-infrarouge à des cadences très variables allant de quelques Hz à quelques GHz.

Pour cela, la présentation sera faite en trois temps :

  • une première partie sera d’abord consacrée à une description rapide et générale du mode de fonctionnement des lasers à impulsions brèves et des différentes techniques pouvant être utilisées ;

  • la seconde partie sera consacrée, quant à elle, à une description détaillée des matériaux absorbants saturables proprement dits. Il sera d’abord question des paramètres spectroscopiques, dynamiques et énergétiques qui les caractérisent, puis de leurs conditions d’utilisation et de fonctionnement dans les cavités laser, puis des techniques mises en œuvre pour mesurer les différents paramètres, et enfin des modèles et formulations devant être utilisés suivant qu’il s’agit d’absorbant saturable « rapide » ou « lent » ;

  • on fera, en troisième partie, un état des lieux des matériaux absorbants saturables ayant conduit ou pouvant conduire aux résultats les plus intéressants. On détaillera ainsi le cas des cristaux dopés par des ions du groupe du fer et des structures miroirs à semiconducteurs dites SESAM, puis des nanomatériaux en couches minces ou sous forme de nanoparticules.

Ce dernier état des lieux fera le point à la fois sur la composition et la conformation des matériaux et sur les paramètres qui les caractérisent :

  • coefficient ou section efficace d’absorption ;

  • profondeur de modulation ;

  • pertes optiques non-saturables ;

  • temps de recombinaison ;

  • intensité et/ou fluence de saturation.

À chaque fois, le lien sera fait avec les modèles et expressions utilisés pour en apprécier le bien-fondé et la validité.

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KEYWORDS

laser   |   ultrafast laserpulses   |   pulsed lasers   |   absorbing materials   |   saturable absorbers   |   short pulses

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6362


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2. Absorbants saturables passifs

Un matériau absorbant saturable (SA) pour l’application laser est un matériau dopé ou un semiconducteur placé intracavité qui introduit des pertes optiques par absorption et dont la transmission croît par saturation (figure 1) lorsqu’il est traversé par un rayonnement lumineux suffisamment intense.

  • Quand il s’agit d’un matériau dopé et que son absorption, à une longueur d’onde (énergie) donnée, est due aux ions dopants, la saturation a lieu à haute intensité lumineuse suite au dépeuplement du niveau électronique fondamental dans lequel la transition optique d’absorption de ces ions prend sa source.

  • Dans le cas d’un semiconducteur de bande interdite finie (bandgap ou gap), le rayonnement optique porte des électrons du haut de leur bande de valence dans leur bande de conduction avec la création d’électrons-trous, et leur absorption diminue (donc leur transmission augmente) dès que l’énergie des photons mis en jeu est supérieure à celle de ce « bandgap ».

2.1 Paramètres caractéristiques

Les propriétés les plus importantes des absorbants saturables sont :

  • la profondeur de modulation ;

  • les pertes non-saturables ;

  • le temps de recombinaison ;

  • l’intensité de saturation ;

  • la fluence de saturation ;

  • l’énergie de saturation ;

  • le seuil de dommage.

  • Profondeur de modulation

    Variation maximale possible (exprimée en %) de la transmission interne (variation de transmission notée ΔT « débarrassée » des pertes par réflexion de Fresnel sur les faces de l’échantillon et des pertes non-saturables).

    Ou encore variation maximale possible des pertes optiques internes (notées ΔL ou ΔA) :

    avec :

    αs0
     : 
    ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KOECHNER (W.) -   Solid state laser engineering.  -  Springer series in Optical sciences, chap. 8 et 9 (2006).

  • (2) - SVELTO (O.) -   Principles of lasers.  -  Plenum Press, New-York, chap. 8 (1998)

  • (3) - SIEGMAN (A.E.) -   Lasers.  -  University Science Books, Chap. 8 (1986).

  • (4) - BRAUD (A.), FROMAGER (M.), DOUALAN (J.L.), GIRARD (S.), MONCORGÉ (R.), THUAU (M.), FERRAD (B.), THONY (Ph.) -   Passive Q-switching and wavelength tunability of a diode-pumped Tm:Yb:YLiF laser around 1,5 μm.  -  Opt. Comm., 183, p. 175-179 (2000).

  • (5) - KUO (Y.K.), HUANG (M.F.), BIRNBAUM (M.) -   Tunable Cr4+:YSO Q-switched Cr:LiCAF laser.  -  IEEE J. Quant. Electr., 31(4), p. 657-663 (1995).

  • (6) - YU (H.), ZHANG (H.), WANG (Y.), ZHAO (C.), WANG (B.), WEN (S.),...

1 Événements

ASSL – Conférence internationale « Advanced Solid State Lasers » organisée tous les ans en Europe, aux États-Unis ou en Asie http://assl.osa.org/home/

CLEO – Conférence internationale « Conference on Lasers and Electro-optics » tous les ans aux États-Unis http://www.cleoconference.org/home/

CLEO Europe – Conférence internationale « Conference on Lasers and Electro-optics » tous les deux ans à Munich, Allemagne http://www.cleoeurope.org/

JNCO – Formation organisée tous les deux ans par le réseau CNRS CMDO+ http://cmdo.cnrs.fr

Club des cristaux pour l’optique de la SFO http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/

OPTIQUE – Conférence nationale organisée tous les quatre ans par la Société française d’optique http://www.sfoptique.org

PHOTONICS WEST – Conférence internationale tous les ans aux États-Unis http://spie.org/conferences-and-exhibitions/photonics-west

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