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Article

1 - MILIEUX AMPLIFICATEURS ACCORDABLES

2 - PRINCIPES DE L'ACCORDABILITÉ DANS UN OSCILLATEUR

3 - EXEMPLES DE FILTRES SPECTRAUX POUR ACCORDER UN OSCILLATEUR

4 - EXEMPLE DE LASERS ACCORDABLES : LES DIODES LASER

5 - APPLICATIONS DES LASERS ACCORDABLES

  • 5.1 - Lasers accordables pour interagir avec la matière par absorption
  • 5.2 - Lasers accordables pour caractériser ou mesurer (sans absorption)

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E6480 v2

Applications des lasers accordables
Lasers accordables

Auteur(s) : François BALEMBOIS

Relu et validé le 21 sept. 2017

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RÉSUMÉ

L’objectif de cet article est de présenter le principe, les performances et les technologies associés aux lasers accordables. La définition de laser est prise ici au sens des oscillateurs optiques, capables de générer de la lumière à partir d’un milieu amplificateur optique placé dans une cavité. Après une description des différents milieux amplificateurs (milieux laser et non linéaires) et de leur largeur spectrale, nous décrivons les principes de l’accordabilité d’un oscillateur laser qui sont basés sur les effets de filtrage dans la cavité. Nous présentons ensuite différents filtres spectraux qui permettent d’accorder le laser lorsqu’ils sont insérés dans la cavité. Nous donnons enfin un exemple de laser accordable : la diode laser, et présentons les domaines d’application des lasers accordables.

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ABSTRACT

Tunable lasers

The objective of this article is aimed at presenting the principle, performances and technologies associated to tunable lasers. The term "laser" is here defined as optical oscillators which are able to generate light from an optical amplifying medium placed into a cavity. After initially presenting the various amplifying mediums (laser and non-linear media)and their spectral width, we proceed by describing the tuning principles of a laser oscillator which are based upon the filtering effects within the cavity. We then go on to describing various spectral filters which allow the tuning of the laser when inserted into the cavity. Finally, we provide an example of a tunable laser i.e. the laser diode as well as the various areas of application regarding tunable lasers.

Auteur(s)

INTRODUCTION

On a souvent tendance à associer le terme de « lasers accordables » aux milieux laser dont la largeur spectrale dépasse plusieurs dizaines de nanomètres (quelques THz en fréquence). L'accordabilité peut prendre cependant une définition plus générale qui indique la capacité d'un oscillateur optique à changer sa longueur d'onde d'émission. Selon la nature des milieux amplificateurs et le type de dispositifs mis en place pour contrôler le spectre, la gamme spectrale peut s'étendre de quelques Hz à une centaine de THz. L'accordabilité peut se faire par saut ou de façon continue. Elle peut être réalisée de façon définitive ou alors donner au laser une certaine agilité en fréquence. Tous les milieux laser sont-ils « accordables » ? On peut se poser la question pour des atomes, des molécules ou des ions dont les diagrammes d'énergie sont simples avec des niveaux quantifiés parfaitement définis, correspondant donc à des longueurs d'onde discrètes. En fait, les niveaux sont toujours élargis par une multitude d'effets physiques dont le plus fondamental est la durée de vie des niveaux impliquant un élargissement spectral par transformée de Fourier. Tous les milieux amplificateurs de lumière utilisant l'émission stimulée sont donc accordables, il faut simplement regarder dans quelle mesure.

On peut même aller plus loin en utilisant des milieux qui ne sont pas basés sur l'émission stimulée mais sur des effets non linéaires. Avec des cristaux non linéaires d'ordre 2, on peut réaliser des oscillateurs paramétriques optiques capables de concurrencer voire de surpasser les sources accordables basées sur l'émission stimulée. En utilisant l'effet non linéaire d'ordre 3 dans des fibres photoniques, on peut générer un continuum de lumière sur une très grande plage de longueurs d'onde et le filtrer pour obtenir une lumière accordable.

L'objet de cet article est de faire le point sur les principes et les performances des « lasers accordables » pris dans le sens le plus général. Le paragraphe 1 décrit les milieux amplificateurs accordables, lasers et non linéaires, en donnant l'origine physique de la largeur des spectres suivant les milieux considérés. Le paragraphe 2 donne les grands principes de l'accordabilité qui est réalisée dans la très grande majorité des cas à partir d'une cavité optique contenant le milieu amplificateur de lumière. Une méthode très courante pour accorder un laser est d'insérer un filtre spectral à l'intérieur de la cavité, c'est pourquoi le paragraphe 3 donne des exemples de filtres spectraux utilisés dans ce but. Le paragraphe 4 donne un exemple de laser accordable : la diode laser. Le paragraphe 5 présente les domaines d'application des lasers accordables.

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KEYWORDS

laser   |   tunable laser   |   non linear optics   |   optical cavity   |   spectral filter

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e6480


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5. Applications des lasers accordables

Le laser est un concentré de lumière à la fois au niveau spatial, au niveau temporel et au niveau spectral. Son champ d'applications est immense. Disposer d'un laser accordable permet d'associer ces propriétés remarquables à une grande souplesse d'utilisation, ce qui élargit encore les possibilités. On peut classer les applications des lasers accordables en deux parties. Dans la première, on cherche à faire interagir le laser avec la matière via l'absorption. Les bandes d'absorption étant spécifiques à chaque substance, il est nécessaire d'avoir des lasers accordables. La seconde catégorie rassemble toutes les applications qui n'utilisent pas ce processus de base. On y trouve les lasers pour les mesures sans contact ou pour les systèmes de télécommunications optiques.

5.1 Lasers accordables pour interagir avec la matière par absorption

L'absorption de la lumière laser est à la base d'un nombre considérable d'applications. On propose de décrire ici trois domaines qui exploitent l'accordabilité : la spectroscopie, la métrologie et la médecine.

HAUT DE PAGE

5.1.1 Identifier des espèces chimiques : spectroscopie

Les bandes d'absorption sont une des signatures d'une espèce chimique. Un laser accordable avec une largeur spectrale étroite (par exemple inférieure au MHz) peut être utilisé pour enregistrer le spectre d'absorption avec une très haute résolution. Le laser (concentré spectral) est le seul moyen de réaliser des spectres d'absorption hyperfins sur les molécules ou les atomes. Par exemple, la spectroscopie hyperfine de l'iode a pu être réalisée à partir d'un montage dit d'absorption saturée qui utilise deux faisceaux lasers contrapropagatifs accordables en fréquence.

Comme le laser est un concentré spatial, on peut également réaliser ces mesures à distance. Il s'agit de l'application LiDAR (Light Detection And Ranging ) par absorption différentielle. Dans un système lidar, le bloc émetteur est placé à côté du bloc récepteur. Les signaux de retour des lidar sont des signaux par diffusion ou réflexion. Il n'est évidemment pas possible de mesurer une transmission d'un point à un autre de l'atmosphère puisque la détection et l'émission se trouvent au même...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) -   Fundamentals of photonics.  -  Wiley series pures and applied optics, GOODMAN (J.W.) Editor, p. 444-446 (1991).

  • (2) - DELSART (C.) -   Laser et optique non linéaire.  -  Physique LMD, Ellipses, p. 111 (2008).

  • (3) - MOULTON (P.F.) -   Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3 .  -  J. Opt. Soc. Am., B, 3, p. 125-133 (1986).

  • (4) - LIU (H.), SPENCE (D.J.), COUTTS (D.W.), SATO (H.), FUKUDA (T.) -   Broadly tunable ultraviolet miniature cerium-doped LiLuF lasers.  -  Opt. Express,16, p. 2226-2231 (2008).

  • (5) - EHRLICH (D.J.), MOULTON (P.F.), OSGOOD (R.M.Jr) -   Ultraviolet solid-state Ce:YLF laser at 325 nm.  -  Opt. Lett., 4, p. 184-186 (1979).

  • (6) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) -   Fundamentals of Photonics.  -  Wiley series pure...

1 Annuaire

Une liste d'entreprises commercialisant des lasers accordables peut être trouvée sur : http://www.directindustry.com/industrial-manufacturer/tunable-laser-79117.html

La liste suivante n'est pas exhaustive, elle donne quelques pistes de fournisseurs.

Lasers accordables : saphir dopé au titane

– COHERENT http://www.coherent.com/

– Spectra-physics (a Newport Corporation Brand) http://www.newport.com/

– Continuum http://www.continuumlasers.com/

Lasers accordables : lasers à colorant

– Quantel http://www.quantel.fr/

– Sirah laser und plasma technik http://www.sirah.com/

– Laser science http://www.laserscience.in/

– Exciton http://www.exciton.com

Diodes laser accordables

– Toptica http://www.toptica.com/

– New Focus (a Newport Corporation Brand) http://www.newport.com/

– Sacher lasertechnik http://www.sacher-laser.com/

– Daylight solutions (lasers à cascade quantique) http://www.daylightsolutions.com/

Oscillateurs et amplificateurs paramétriques optiques

– Ekspla http://www.ekspla.com/

– Lightconversion...

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