Laser à l'état solide pompé par diode

Un laser à solide pompé par diode ( DPSSL ) est un laser à solide fabriqué en pompant un milieu de gain solide , par exemple un rubis ou un cristal YAG dopé au néodyme , avec une diode laser .

Les DPSSL présentent des avantages en termes de compacité et d'efficacité par rapport aux autres types, et les DPSSL haute puissance ont remplacé les lasers ioniques et les lasers pompés par lampe flash dans de nombreuses applications scientifiques, et apparaissent désormais couramment dans les pointeurs laser verts et autres couleurs .

La longueur d'onde des diodes laser est réglée par la température afin d'obtenir un compromis optimal entre le coefficient d'absorption dans le cristal et l'efficacité énergétique (énergie de photons de pompage la plus faible possible). Comme l'énergie perdue est limitée par la lentille thermique, cela signifie des densités de puissance plus élevées par rapport aux lampes à décharge à haute intensité .

Les lasers de haute puissance utilisent un seul cristal, mais de nombreuses diodes laser sont disposées en bandes (plusieurs diodes les unes à côté des autres sur un substrat) ou en piles (piles de substrats). Cette grille de diodes peut être reproduite sur le cristal au moyen d'une lentille . Une luminosité plus élevée (conduisant à un meilleur profil de faisceau et à une durée de vie plus longue des diodes) est obtenue en supprimant optiquement les zones sombres entre les diodes, qui sont nécessaires au refroidissement et à la distribution du courant. Cela se fait en deux étapes :

1. L'« axe rapide » est collimaté avec un réseau aligné de micro-lentilles cylindriques .
2. Les faisceaux partiellement collimatés sont ensuite imagés à taille réduite dans le cristal. Le cristal peut être pompé longitudinalement à partir des deux faces d'extrémité ou transversalement à partir de trois côtés ou plus.

Les faisceaux de plusieurs diodes peuvent également être combinés en couplant chaque diode dans une fibre optique , qui est placée précisément au-dessus de la diode (mais derrière la micro-lentille). À l'autre extrémité du faisceau de fibres, les fibres sont fusionnées pour former un profil rond uniforme et sans espace sur le cristal. Cela permet également d'utiliser une alimentation électrique à distance.

Les diodes laser haute puissance sont fabriquées sous forme de barres comportant plusieurs diodes laser à bande unique les unes à côté des autres.

Chaque diode à bande unique a généralement un volume actif de :

et en fonction de la technique de refroidissement pour toute la barre (100 à 200) μm de distance jusqu'à la diode laser suivante.

La face d'extrémité de la diode le long de l'axe rapide peut être représentée sur une bande de 1 μm de hauteur. Mais la face d'extrémité le long de l'axe lent peut être représentée sur une zone plus petite que 100 μm. Cela est dû à la faible divergence (d'où le nom : « axe lent ») qui est donnée par le rapport entre la profondeur et la largeur. En utilisant les chiffres ci-dessus, l'axe rapide pourrait être représenté sur un spot de 5 μm de large.

Pour obtenir un faisceau ayant une divergence égale dans les deux axes, les faces d'extrémité d'une barre composée de 5 diodes laser peuvent être représentées au moyen de 4 lentilles cylindriques (acylindriques) sur un plan image avec 5 spots de taille 5 mm x 1 mm chacun. Cette grande taille est nécessaire pour les faisceaux à faible divergence. La faible divergence permet l'utilisation d'optiques paraxiales, qui sont moins chères et qui permettent non seulement de générer un spot, mais aussi une longue taille de faisceau à l'intérieur du cristal laser (longueur = 50 mm), qui doit être pompée à travers ses faces d'extrémité.

Dans le cas paraxial, il est également beaucoup plus simple d'utiliser des miroirs en or ou en cuivre ou des prismes en verre pour empiler les spots les uns sur les autres et obtenir un profil de faisceau de 5 x 5 mm. Une deuxième paire de lentilles (sphériques) prend en image ce profil de faisceau carré à l'intérieur du cristal laser.

Un volume de 0,001 mm ³ de volume actif dans la diode laser est capable de saturer 1250 mm ³ dans un cristal Nd:YVO ₄ .

Le DPSSL le plus couramment utilisé est le pointeur laser vert de longueur d'onde de 532 nm . Une puissante diode laser infrarouge GaAlAs de longueur d'onde de 808 nm (> 200 mW ) pompe un cristal de grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG) ou d' orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme (Nd:YVO ₄ ) qui produit une lumière de longueur d'onde de 1064 nm à partir de la transition spectrale principale de l'ion néodyme . Cette lumière est ensuite doublée en fréquence à l'aide d'un processus optique non linéaire dans un cristal KTP , produisant une lumière de 532 nm. Les DPSSL verts ont généralement une efficacité d'environ 20 %, bien que certains lasers puissent atteindre jusqu'à 35 % d'efficacité. En d'autres termes, un DPSSL vert utilisant une diode de pompage de 2,5 W devrait produire environ 500 à 900 mW de lumière de 532 nm.

Dans des conditions optimales, le Nd:YVO ₄ a une efficacité de conversion de 60 %, tandis que le KTP a une efficacité de conversion de 80 %. En d'autres termes, un DPSSL vert peut théoriquement avoir une efficacité globale de 48 %.

Dans le domaine des puissances de sortie très élevées, le cristal KTP devient sensible aux dommages optiques. Ainsi, les DPSSL de haute puissance ont généralement un diamètre de faisceau plus grand, car le laser à 1064 nm est dilaté avant d'atteindre le cristal KTP, réduisant ainsi l'irradiance de la lumière infrarouge. Afin de maintenir un diamètre de faisceau plus faible, un cristal avec un seuil de dommage plus élevé, tel que le triborate de lithium (LBO), est utilisé à la place.

Les lasers DPSSL bleus utilisent un processus presque identique, sauf que la lumière de 808 nm est convertie par un cristal Nd:YAG en lumière de 946 nm (en sélectionnant cette ligne spectrale non principale du néodyme dans les mêmes cristaux dopés au Nd), dont la fréquence est ensuite doublée à 473 nm par un cristal de bêta-borate de baryum (BBO) ou cristal LBO. En raison du gain plus faible des matériaux, les lasers bleus sont relativement faibles et ne sont efficaces que de 3 à 5 % environ. À la fin des années 2000, il a été découvert que les cristaux de triborate de bismuth (BiBO) étaient plus efficaces que le BBO ou le LBO pour la génération de deuxième harmonique dans les lasers à verrouillage de mode et ne présentaient pas l'inconvénient d'être hygroscopiques , ce qui dégrade le cristal s'il est exposé à l'humidité. Dans les applications laser à ondes continues, cependant, le BiBO peut présenter des instabilités qui dégradent ses performances

Les DPSSL jaunes utilisent un processus encore plus complexe : une diode de pompage de 808 nm est utilisée pour générer une lumière de 1 064 nm et 1 342 nm, qui sont additionnées en parallèle pour donner 593,5 nm. En raison de leur complexité, la plupart des DPSSL jaunes n'ont qu'une efficacité d'environ 1 % et sont généralement plus chères par unité de puissance.

Une autre méthode consiste à générer une lumière de 1 064 et 1 319 nm, qui sont additionnées à 589 nm. Ce processus est plus efficace, environ 3 % de la puissance de la diode de pompage étant convertie en lumière jaune.

Les lasers à semi-conducteurs DPSSL et à diode sont deux des types de lasers à semi-conducteurs les plus courants. Cependant, les deux types présentent leurs avantages et leurs inconvénients.

Les lasers à diodes DPSSL ont généralement une qualité de faisceau plus élevée et peuvent atteindre des puissances très élevées tout en conservant une qualité de faisceau relativement bonne. Comme le cristal pompé par la diode agit comme son propre laser, la qualité du faisceau de sortie est indépendante de celle du faisceau d'entrée. En comparaison, les lasers à diode ne peuvent atteindre que quelques centaines de milliwatts à moins qu'ils ne fonctionnent en mode transversal multiple. Ces lasers multimodes ont un diamètre de faisceau plus grand et une divergence plus importante, ce qui les rend souvent moins intéressants. En fait, le fonctionnement en mode unique est essentiel dans certaines applications, telles que les lecteurs optiques .

En revanche, les lasers à diode sont moins chers et plus économes en énergie. Les cristaux DPSSL n'étant pas efficaces à 100 %, une partie de la puissance est perdue lors de la conversion de fréquence. Les DPSSL sont également plus sensibles à la température et ne peuvent fonctionner de manière optimale que dans une plage restreinte. Dans le cas contraire, le laser souffrirait de problèmes de stabilité, tels que des sauts entre les modes et de grandes fluctuations de la puissance de sortie. Les DPSSL nécessitent également une construction plus complexe.

Les lasers à diodes peuvent également être modulés avec précision avec une fréquence plus élevée que les DPSSL.

Les lasers à l'état solide dopés au néodyme restent la source laser de choix pour les applications industrielles. Le pompage direct du niveau laser Nd supérieur à 885 nm (plutôt qu'à la bande large plus traditionnelle de 808 nm) offre le potentiel d'améliorer les performances grâce à une réduction du défaut quantique laser, améliorant ainsi l'efficacité du système, réduisant les besoins de refroidissement et permettant une mise à l'échelle supplémentaire de la puissance TEM00. En raison de la caractéristique d'absorption étroite à 885 nm du Nd:YAG, certains systèmes peuvent bénéficier de l'utilisation de sources de pompage à diode verrouillées en longueur d'onde, qui servent à rétrécir et à stabiliser le spectre d'émission de pompage pour le maintenir étroitement aligné sur cette caractéristique d'absorption. À ce jour, les schémas de verrouillage de laser à diode haute puissance tels que les réseaux de Bragg à rétroaction distribuée interne et les optiques de réseau holographique à volume aligné en externe, VHG, n'ont pas été largement mis en œuvre en raison du coût accru et de la pénalité de performance supposée de la technologie. Cependant, les progrès récents dans la fabrication de sources de pompage à diodes stabilisées qui utilisent le verrouillage de longueur d'onde externe offrent désormais des propriétés spectrales améliorées avec peu ou pas d'impact sur la puissance et l'efficacité. Les avantages de cette approche comprennent des améliorations de l'efficacité du laser, de la largeur de ligne spectrale et de l'efficacité de pompage.