Présentation

Article interactif

1 - PHOTOPHYSIQUE DES MOLÉCULES ORGANIQUES POUR LES LASERS

2 - MISE EN FORME ET CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ORGANIQUES

3 - ARCHITECTURES DES LASERS ORGANIQUES : POMPAGE ET RÉSONATEURS

4 - DIFFÉRENTS TYPES DE MATÉRIAUX ORGANIQUES POUR LES LASERS

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E6436 v1

Mise en forme et caractérisation des matériaux organiques
Matériaux organiques pour les lasers

Auteur(s) : Sébastien FORGET, Sébastien CHÉNAIS

Relu et validé le 24 janv. 2024

Cet article offert jusqu'au 25/04/2024
Consulter en libre accès

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Des dispositifs à base de matériaux organiques sont présents dans de nombreux domaines de la photonique, des capteurs aux émetteurs de lumière incohérente (OLEDs). Les lasers, eux, n’ont pas encore atteint leur maturité technologique et de nombreux points de physique fondamentale sont encore à éclaircir. Cet article est une introduction au domaine des lasers organiques : il décrit les bases de la physique des matériaux dits «Π-conjugués », et passe en revue leurs propriétés et leur utilisation dans les lasers.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Organic materials for lasers

Devices based on organic materials can be found in many fields of photonics, from sensors to incoherent light emitters (OLEDs). However, lasers have not yet reached their technological maturity and many fundamental physics aspects are still to be clarified. This article is an introduction to the field of organic lasers: the basics of the physics of the so-called "Π-conjugated" materials will be described and their properties and their use in lasers will be reviewed.

Auteur(s)

  • Sébastien FORGET : Maître de conférences Laboratoire de physique des lasers, Université Sorbonne Paris Nord, Villetaneuse, France

  • Sébastien CHÉNAIS : Professeur Laboratoire de physique des lasers, Université Sorbonne Paris Nord, Villetaneuse, France

INTRODUCTION

La photonique organique est un domaine en plein essor qui s’intéresse de manière générale aux phénomènes et aux composants dans lesquels des photons interagissent avec des matériaux organiques. La capacité qu’ont ces derniers d’émettre très efficacement de la lumière dans tout le spectre visible est connue depuis longtemps (lasers à colorants, fluorophores organiques, etc.). Toutefois, la découverte au début des années 1980 des semi-conducteurs organiques (dotés en outre de propriétés de transport de charges électriques) a révolutionné le domaine en permettant l’invention et le développement de nouveaux composants tels que les cellules solaires ou les diodes électroluminescentes organiques (OLED). Ces dispositifs, maintenant matures et disponibles sur le marché, tirent également parti des propriétés structurelles spécifiques des matériaux organiques qui permettent de les adapter à de nombreuses fonctions par ingénierie chimique, ainsi que leur facilité de dépôt et de mise en forme sur de nombreux substrats et sur de grandes surfaces. On peut ainsi viser des applications de faible coût et difficilement accessibles aux technologies inorganiques, telles que des « feuilles de lumière » de grandes dimensions et, de manière générale, des composants qui s’adaptent facilement à des technologies existantes.

Au-delà de ces applications, cet article s’intéresse à l’émission de lumière cohérente par les matériaux organiques, autrement dit aux lasers. Les lasers organiques ont connu ces deux dernières décennies un développement intense, et il existe maintenant une grande variété de matériaux disponibles. Il y a encore 25 ans, « laser organique » était synonyme de « laser à colorant », c’est-à-dire de laser dont le milieu à gain est une solution liquide de molécules π-conjuguées (DCM, rhodamine, etc.). La variété des molécules disponibles, couplée au fait qu’une molécule donnée possède un spectre d’émission très large, en faisait alors les seuls lasers accordables disponibles, capables de couvrir tout le spectre du proche UV au proche IR. L’intérêt pour les lasers à colorant liquide a commencé à décliner dans les années 1990 pour des raisons essentiellement pratiques : ce type de laser est en effet généralement encombrant et de maintenance complexe et pénible (changement régulier des colorants, alignement, etc.), et les colorants utilisés et leurs solvants sont souvent cancérigènes.

On assiste à un regain d’intérêt pour les lasers à base de matériaux organiques pour deux raisons principales. Tout d’abord, l’apparition dans les années 2000 de systèmes tout-solide fondés essentiellement sur des semi-conducteurs organiques permet de se passer des systèmes « liquides » et offre donc la perspective de disposer de lasers compacts, peu coûteux, fabriqués à grande échelle et largement accordables. En outre, la possibilité d’injecter des charges directement dans un semi-conducteur organique permet d’envisager théoriquement de réaliser une diode laser organique. Toutefois, en 2022, ce domaine n’en est encore qu’à ses balbutiements. Les lasers organiques restent donc aujourd’hui pompés optiquement. Dans cette perspective, l’autre avancée plus récente (2010 à 2020) concerne le système de pompage, avec l’arrivée à maturité des diodes lasers inorganiques bleues (voire UV) de forte puissance. Là encore, elles permettent de gagner plusieurs ordres de grandeurs sur la taille du système, mais surtout sur son coût final. Les lasers organiques, compacts et peu coûteux, deviennent des solutions intéressantes dans le domaine des capteurs, du diagnostic médical, de la spectroscopie ou des télécommunications.

Dans cet article, nous poserons les bases de la photophysique de ces matériaux dits « pi-conjugués » permettant de comprendre quelles sont leurs spécificités et leurs limitations dans une cavité laser. Nous dresserons également un panorama des propriétés et de l’usage de ces matériaux dans différents types de lasers.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Cet article offert jusqu'au 25/04/2024
Consulter en libre accès

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6436


Cet article fait partie de l’offre

Matériaux fonctionnels - Matériaux biosourcés

(205 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

2. Mise en forme et caractérisation des matériaux organiques

2.1 Méthodes de dépôt en solution

Les matériaux organiques utilisés en tant qu’émetteurs de lumière sont essentiellement mis en forme de couches minces, avec des épaisseurs variant de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’un des avantages fondamentaux des matériaux organiques par rapport à leurs cousins inorganiques repose sur leur simplicité de mise en œuvre, qui permet de réaliser des composants relativement complexes à un coût raisonnable, sur presque n’importe quel support, et avec des formes et des tailles très variées. De nombreuses techniques existent pour réaliser ces films minces, telles que le dépôt à la tournette, l’évaporation thermique, l’impression jet d’encre ou « roll-to-roll », la CVD, le dépôt par laser ou encore l’« electrospray ». Néanmoins, les dispositifs organiques actuels (OLED et lasers) mettent en œuvre essentiellement les deux premières méthodes, que nous allons décrire plus en détail ici.

HAUT DE PAGE

2.1.1 Dépôt à la tournette ou enduction centrifuge (spin-coating)

C’est la technique la plus facile et la plus connue pour déposer une simple couche de matériau organique d’épaisseur contrôlée. Le principe est simple : une solution contenant le milieu actif à déposer (un polymère conjugué, un polymère dopé avec un colorant laser, etc.) dans un solvant organique est d’abord préparée à la concentration choisie puis déposée sur le substrat voulu. Ce substrat est fixé sur une « tournette », reliée à une pompe à vide qui le maintient en place par aspiration. La mise en rotation du substrat va conduire, sous l’influence de la force centrifuge, à l’étalement de la solution sur l’ensemble du substrat. Ce dernier est ensuite généralement placé quelques minutes dans une étuve ou sur une plaque chauffante pour évaporer le solvant restant et ainsi obtenir la couche finale (figure 6).

L’épaisseur de la couche mince ainsi déposée est essentiellement contrôlée par la viscosité de la solution et par la vitesse de rotation du substrat....

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Cet article offert jusqu'au 25/04/2024
Consulter en libre accès

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Matériaux fonctionnels - Matériaux biosourcés

(205 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Mise en forme et caractérisation des matériaux organiques
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LEHNHARDT (M.), RIEDL (T.), WEIMANN (T.), KOWALSKY (W.) -   Impact of triplet absorption and triplet-singlet annihilation on the dynamics of optically pumped organic solid-state lasers.  -  Physical Review B, 81(16), p. 165206 (2010).

  • (2) - FORGET (S.), CHÉNAIS (S.) -   Organic solid state lasers.  -  Springer Series in Optical Science, 175 (2013).

  • (3) - CHAQUIN (P.), FUSTER (F.) -   Orbimol.  -  Laboratoire de chimie théorique, UPMC Univ. Paris 6, UMR CNRS 7616, Paris (2012) http://www.lct.jussieu.fr/pagesperso/ orbimol/#

  • (4) - TROPPER (A.C.), FOREMAN (H.D.), GARNACHE (A.), WILCOX (K.G.), HOOGLAND (S.H.) -   Vertical-external-cavity semiconductor lasers.  -  Journal of Physics D : Applied Physics, 37(9), p. R75 (2004).

  • (5) - VALEUR (B.) -   Molecular fluorescence.  -  Wiley-VCH Verlag GmbH (2001).

  • ...

1 Sites Internet

Lasers et optique non linéaire – Le laser : fondamentaux

François Balembois – Institut d’Optique Graduate School http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M01_C01/co/OPI_fr_M01_C01_web.html

Lasers et optique non linéaire – Optique des lasers et faisceaux gaussiens

Sébastien FORGET – Université Paris Nord/13 http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M01_C03/co/OPI_fr_M01_C03_web.html

HAUT DE PAGE

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Cet article offert jusqu'au 25/04/2024
Consulter en libre accès

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Matériaux fonctionnels - Matériaux biosourcés

(205 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire

QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

1/ Quiz d'entraînement

Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

2/ Test de validation

Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Matériaux fonctionnels - Matériaux biosourcés

(205 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS