Absorbants saturables pour le déclenchement passif du laser verre codopé erbium et ytterbium.

Introduction

Le déclenchement d'un laser par insertion d'un absorbant saturable dans la cavité présente de nombreux avantages :

• possibilité d'obtenir des impulsions courtes ( quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes),
• déclenchement du laser sans apport d'énergie extérieure,
• possibilité d'intégration importante du laser.

Il nous est donc apparu intéressant de faire apparaître dans ce mémoire une partie expliquant succinctement le fonctionnement du déclenchement d'un laser par un absorbant saturable et donnant un bref aperçu des matériaux potentiels pouvant être utilisés pour déclencher un laser solide émettant vers 1,53 µm.

Les absorbants saturables sont des absorbants résonnants non linéaires dont le coefficient díabsorption peut varier de façon réversible sous líeffet díun flux lumineux suffisamment intense de fréquence déterminée.

Ce matériau contient des molécules (atomes) qui absorbent par résonance le rayonnement à la fréquence de la transition utilisée dans un laser donné.

Le fonctionnement díun absorbant saturable repose sur líeffet optique non linéaire de transparence induite par voie optique : un milieu opaque à líétat initial devient transparent lorsque le rayonnement auquel il est soumis devient suffisamment intense. Le YAG:Cr⁴⁺ est un absorbant saturable très utilisé pour déclencher passivement les lasers YAG:Nd³⁺ émettant à 1064 nm [31].

Pour déclencher un laser par absorbant saturable, le matériau doit présenter une absorption à la longueur díonde émise par le laser. Dans notre cas les matériaux doivent présenter une absorption vers 1,53 µm et leur coefficient díabsorption à cette longueur díonde doit diminuer sous líeffet díun rayonnement suffisamment intense à cette longueur díonde.

Plusieurs centres actifs ont été identifiés :

• líion Er³⁺ inséré dans différentes matrices,
• líion U²⁺ inséré dans différentes matrices,
• líion Co²⁺ inséré dans différentes matrices.

Mais il est aussi possible díutiliser des matériaux semi-conducteurs de type (InGaAsP) mis sous forme de puits quantiques [32].

Conditions de démarrage de líoscillation laser dans une cavité contenant un absorbant saturable

Le milieu saturable inséré dans la cavité laser se modifie grâce à líintensité du faisceau laser engendré qui lui-même dépend des pertes totales de la cavité et donc de líabsorbant saturable. Il semble donc évident que la cavité laser complète (absorbant saturable ì opaque î compris) doit présenter des pertes légèrement inférieures au gain de manière à ce que líeffet laser puisse démarrer.

figure 8-1 :Evolution temporelle du gain, des pertes et de líimpulsion laser.

La figure 8-1 présente líévolution temporelle de líimpulsion laser:

• Partie 1 de la figure 8-1 : le gain augmente sous líeffet du pompage optique jusquíà une valeur légèrement supérieure aux pertes.
• Partie 2 de la figure 8-1 : le gain est supérieur aux pertes mais l'impulsion laser n'est pas encore formée. C'est le temps de création de l'impulsion.
• Partie 3 de la figure 8-1 : il y a donc création díune impulsion laser. Le gain diminue légèrement mais reste supérieur aux pertes. L'absorbant saturable commence à se saturer.
• Partie 4 de la figure 8-1 : sous líeffet de ce début díeffet laser les pertes de la cavité diminuent grâce à la saturation de líabsorption. Il en résulte un gain très nettement supérieur aux pertes et don création díune impulsion laser très importante. Le gain diminue très rapidement jusqu'à devenir égal aux pertes à ce moment là l'impulsion diminue..
• Partie 5 de la figure 8-1 : líimpulsion laser diminue et le milieu saturable retrouve son opacité.
• Le système reprend à partir de la partie 1 de la figure 8-1.

Pour que le système fonctionne de manière optimale, il faut que la saturation et le ì retour à líopacité î de líabsorbant saturable soient très rapide. Il faut donc que le matériau présente une section efficace díabsorption importante à la longueur díonde considérée ainsi quíune durée de vie du niveau supérieur de la transition considérée relativement ì courte î.

Nous avons donc identifié quelques matériaux potentiels en fonction des articles parus sur ce sujet dans les revues scientifiques (voir tableau 8-1).

tableau 8-1 : Récapitulatif des matériaux identifiés comme absorbant saturables vers 1,53 µm et les références associées.

Dans notre cas si la transition ⁴I_13/2 -> ⁴I_15/2 du verre codopé erbium et ytterbium présente une inversion de population normalisée de 1, le gain maximal sur un aller et retour dans la cavité est : où l_a est la longueur de matériau actif (2 mm dans notre cas). On obtient donc G_max=4 %. Les pertes totales sur un aller et retour sont de líordre de 1,5% (voir paragraphe 6.1.2 page 1). Il faudrait donc une absorption initiale inférieure à 2,5% sur un aller et retour soit une absorption due à líabsorbant saturable inférieure à 1,25%.

conclusion

Il parait donc extrêmement difficile de réaliser un absorbant saturable pour ce laser dans cette configuration. Par contre, il semble possible de réaliser un laser présentant un gain plus important notamment en utilisant les dopages optimisés au paragraphe 6 de manière à pouvoir utiliser un absorbant saturable pour le déclenchement.

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