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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

Glossaire
Matériaux absorbants saturables passifs pour lasers à impulsions brèves

Auteur(s) : Richard MONCORGÉ

Relu et validé le 03 oct. 2023

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Sommaire

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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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5. Glossaire

Absorbant saturable rapide/lent

Matériau absorbant saturable se caractérisant par un temps de retour du système à l’état fondamental suite à une excitation optique plus court/long que l’impulsion laser qui a servi à cette excitation.

Bandgap (bande interdite)

Saut énergétique entre bas de bande de conduction et haut de bande de valence des semiconducteurs et diélectriques.

Bandgap ou gap

Bande interdite finie.

Blocage de modes « additif » (APM)

Déphasage non-linéiare induit dans un élément optique placé dans une cavité couplée.

Blocage de modes par effer Kerr (KLM)

Repose sur la non-linéarité du 3e ordre du milieu à gain et l’effet de lentille dépendant du temps qui en résulte.

Épitaxie par jet moléculaire (Molecular Beam Epitaxy ou MBE)

Technique consistant à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser une croissance épitaxiale.

Fluence de saturation

Il s’agit de l’énergie optique par unité de surface nécessaire pour réduire l’absorption ou accroître la transmission initiale.

Intensité de saturation

Il s’agit de l’intensité nécessaire, à l’état stationnaire, pour réduire l’absorption interne.

Mode-Locking (verrouillage/blocage de modes, ML en abrégé)

Technique consistant à synchroniser un nombre important de modes longitudinaux d’une cavité laser.

Pertes non-saturables

Il s’agit d’une partie des pertes optiques qui ne peuvent pas être saturées.

Profil Top-Hat

Faisceaux à profil spatial rectangulaire.

Profondeur de modulation

C’est la variation maximale possible de la transmission interne.

Q-Switching (déclenchement, QS en abrégé,)

Technique de blocage et de stockage de l’intensité lumineuse circulant dans une cavité laser, puis de libération rapide de cette énergie au-delà d’un certain seuil.

Seuil de dommage

Constitue la limite haute de fonctionnement du matériau avant son endommagement irréversible.

Temps de recombinaison

C’est le temps de relaxation de l’excitation électronique après le passage...

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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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