Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
-
François BALEMBOIS : Professeur des universités à l'Institut d'optique
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
- Version archivée 1 de sept. 1989 par Gilles COLÉOU
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Exemple de lasers accordables : les diodes laser3. Exemples de filtres spectraux pour accorder un oscillateur
Les filtres spectraux sont avant tout des composants dont la bande spectrale permet la sélection d'une longueur d'onde parmi toutes les possibilités d'émission offertes par le milieu amplificateur. La largeur spectrale du pic de transmission du filtre est plus petite que la plage d'accordabilité maximale Δν sur la raie considérée.
Les filtres spectraux peuvent être passifs : c'est-à-dire sélectionner une longueur d'onde une fois pour toutes. Ils peuvent être actifs, capables de décaler leur pic de transmission en fonction d'un paramètre de commande extérieur (déplacement, rotation, changement de température, tension de commande...). Si la vitesse de modification de la transmission est élevée (ms voire μs), on parle de filtres agiles en fréquence.
On peut classer les filtres spectraux en différentes catégories. La première concerne ceux qui donnent une dispersion spatiale de la fréquence. C'est la directivité de la cavité qui va permettre de sélectionner la fréquence du laser. La deuxième est liée aux filtres interférentiels dont la transmission est maximale pour des fréquences qui donnent des interférences constructives. La troisième concerne les filtres biréfringents qui provoquent des interférences par polarisation entre les axes ordinaire et extraordinaire du matériau. À mi-chemin entre les filtres spatiaux et les filtres interférentiels, les filtres diffractifs ont de multiples possibilités pour discriminer les longueurs d'onde : ils sont l'objet de la quatrième catégorie.
3.1 Filtres à dispersion spatiale
Pour obtenir une dispersion spatiale, on peut utiliser la réfraction dans des milieux dont l'indice dépend de la longueur d'onde (prismes) ou la diffraction (réseaux). La dispersion angulaire en fonction de la fréquence permet de sélectionner la fréquence qui pourra faire des allers et retours dans la cavité. La figure 12 donne l'exemple d'un prisme. Le miroir M2 est mis en auto-collimation pour la longueur d'onde rouge si bien que la longueur d'onde bleue n'est pas alignée sur l'axe de la cavité et subit des pertes très importantes. L'accordabilité est réalisée en tournant soit le miroir M2 , soit le prisme pour modifier la couleur du faisceau qui est dans l'axe de la cavité. Le passage des interfaces du prisme peut engendrer des pertes supplémentaires dans la cavité. Deux moyens existent pour y faire face : soit le traitement antireflet, soit...
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Exemples de filtres spectraux pour accorder un oscillateur
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).
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(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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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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