Une introduction au solide

Nov 17, 2023

Le premier laser jamais construit était un laser à rubis à l'état solide construit par Theodore Maiman en 1960. Mais les lasers à l'état solide ne sont pas une curiosité historique. Au contraire, la technologie s'est développée et diversifiée au fil des ans, desservant une vaste gamme d'applications scientifiques, industrielles, aérospatiales, de défense, médicales et des sciences de la vie.

Les lasers sont largement classés selon l'état de la matière de leur matériau laser (milieu de gain) : lasers à gaz, à liquide, à solide et même à plasma. Mais il est courant d'utiliser le terme à semi-conducteurs pour désigner uniquement les lasers qui utilisent un milieu de gain en cristal ou en verre. Ce matériau hôte est généralement dopé avec des ions pour soutenir la population et donc l'action laser.

Le pompage est le processus de fourniture d'énergie brute au cristal laser, qu'il convertit ensuite en lumière laser. Le cristal est non conducteur, de sorte que l'énergie de la pompe est pratiquement toujours fournie aux supports de gain à semi-conducteurs sous forme de lumière plutôt que sous forme d'électricité. Les premiers lasers à semi-conducteurs étaient pompés par des lampes flash. Cette situation a radicalement changé avec l'introduction du pompage par diode laser dans les années 1980.

Les lasers à diode fournissent une source de lumière intense et la longueur d'onde peut être adaptée à l'absorption du milieu de gain. Il en résulte un laser très efficace où une quantité relativement importante de l'énergie initialement fournie au laser (en particulier l'électricité utilisée pour alimenter les diodes) finit par être convertie en lumière laser. De plus, le pompage par diode offre d'énormes avantages en matière de fiabilité et de durée de vie, un faible encombrement (taille) et une cohérence opérationnelle.

Cependant, le pompage de la lampe est toujours utilisé avec certains cristaux laser à l'état solide. En effet, les lasers à semi-conducteurs pompés par lampe peuvent produire des énergies d'impulsion très élevées. De plus, le prix d'achat typique et le coût par watt de puissance de pompe à lampe sont bien inférieurs à ceux des diodes.

Les résonateurs laser à semi-conducteurs sont principalement configurés de manière traditionnelle. A savoir, le matériau de gain est placé entre deux miroirs pour former une cavité optique. Parfois, la ou les extrémités du cristal laser sont revêtues pour devenir le ou les miroirs. Le cristal laser lui-même peut se présenter sous la forme d'une tige, d'une plaque ou d'un disque mince.

En raison du grand nombre de cristaux différents disponibles, de nombreux types de lasers à solide sont actuellement utilisés. Il n'est pas possible de tous les décrire ici, et même de les catégoriser est difficile, car les lasers à solide existants couvrent un espace extrêmement large de caractéristiques de sortie. Mais, pour les besoins de cette discussion, il est utile de les répartir en trois grandes catégories : les ondes continues (CW) et la largeur d'impulsion nanoseconde, les impulsions ultra-courtes et les lasers ultra-rapides.

Les lasers à semi-conducteurs les plus courants de cette catégorie sont basés sur des cristaux de néodyme, généralement dopés avec du grenat d'yttrium et d'aluminium (Nd:YAG), de l'orthovanadate d'yttrium (Nd:YVO4) ou du fluorure d'yttrium et de lithium (Nd:YLF). La sortie fondamentale laser la plus forte pour tous ces cristaux se situe dans l'infrarouge à environ 1 μm.

Ces cristaux sont tous utilisés car chacun produit des caractéristiques de fonctionnement quelque peu différentes. Par exemple, Nd:YVO4 convient mieux aux lasers pulsés à puissance de crête élevée et à taux de répétition élevé. En revanche, Nd:YAG délivre généralement une énergie d'impulsion totale plus élevée à des taux de répétition inférieurs. Nd:YLF fournit des énergies d'impulsion encore plus élevées, généralement à des taux de répétition encore plus faibles.

Il existe également plusieurs cristaux laser qui utilisent des dopants holmium, thulium, ytterbium ou erbium au lieu de Nd. Les cristaux Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG laser tous à environ 2 μm. Cette longueur d'onde est fortement absorbée par les tissus vivants contenant de l'eau, ce qui rend ces types de laser utiles pour une variété d'applications médicales.

La plupart de ces cristaux peuvent fonctionner en onde continue (CW). Mais la majorité des lasers de traitement des matériaux et autres lasers à semi-conducteurs industriels fonctionnent de manière pulsée. La pulsation augmente la puissance de crête, ce qui est essentiel pour dépasser le seuil d'ablation (puissance minimale nécessaire pour fondre ou vaporiser) pour de nombreux matériaux, en particulier les métaux, ou pour produire un changement de couleur de surface pour le marquage.

La méthode d'impulsion la plus largement utilisée est la commutation q, généralement mise en œuvre à l'aide d'un déflecteur acousto-optique qui agit comme un obturateur rapide à l'intérieur du résonateur laser. Tout d'abord, le q-switch est fermé, ce qui empêche la lumière de circuler dans la cavité laser. Pendant ce temps, l'énergie de pompe fournie au cristal laser s'y accumule. Ensuite, le q-switch s'ouvre rapidement. Cela permet au laser de fonctionner. L'énergie stockée est rapidement convertie en lumière laser et émise sous la forme d'une courte impulsion. Ce processus se répète rapidement.

La plupart des lasers à semi-conducteurs q-switch couramment utilisés produisent des largeurs d'impulsion de l'ordre de dizaines de nanosecondes. Ils offrent généralement des puissances moyennes de dizaines ou centaines de watts (dans l'infrarouge) et des taux de répétition de l'ordre de 10s de Hz à environ 300 kHz.

La puissance de crête élevée obtenue avec les impulsions facilite également l'utilisation de processus non linéaires. L'un des principaux est la conversion de fréquence qui utilise un cristal pour générer des harmoniques de la fréquence lumineuse initiale. Ainsi, les lasers à semi-conducteurs pulsés qui produisent 1064 nm peuvent être multipliés en fréquence pour produire 532 nm (génération de deuxième harmonique ou SHG), 355 nm (génération de troisième harmonique ou THG) ou même 266 nm (génération de quatrième harmonique ou FHG). La conversion de fréquence n'est pas impossible avec les lasers CW, mais elle n'est pas aussi simple à mettre en œuvre.

Une autre façon de pulser un laser à solide est le verrouillage de mode. Cela produit des taux de répétition de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de MHz. Ainsi, pour de nombreuses applications, le laser semble simplement être allumé en permanence. Par conséquent, ces sources sont souvent appelées quasi-CW ou QCW. Mais, encore une fois, les impulsions augmentent la puissance de crête, ce qui permet à son tour la conversion de fréquence, offrant ainsi un moyen relativement simple d'obtenir des sources laser à semi-conducteurs à longueur d'onde plus courte qui sont pratiquement CW. L'inspection de plaquettes semi-conductrices est une application importante pour ces types de lasers.

Alors que les lasers à semi-conducteurs à largeur d'impulsion nanoseconde sont largement utilisés dans le traitement des matériaux, les impulsions en régime picoseconde et femtoseconde peuvent offrir des avantages significatifs pour les tâches de traitement de précision les plus exigeantes. Ces avantages incluent la possibilité de produire de très petites structures avec pratiquement aucune zone affectée par la chaleur, ainsi que la compatibilité avec une gamme extrêmement large de matériaux, même ceux qui sont transparents, comme le verre.

Le verrouillage de mode peut être utilisé pour produire des largeurs d'impulsion d'environ 10 ps ou plus courtes. Mais la plupart des lasers à verrouillage de mode ont des énergies d'impulsion trop faibles pour les utilisations de traitement des matériaux. Cependant, cette énergie d'impulsion peut être augmentée par amplification.

Ce processus commence généralement par un "sélecteur d'impulsions" pour sélectionner des impulsions individuelles à partir de la sortie laser verrouillée en mode taux de répétition élevé (par exemple, chaque dixième impulsion). Ces impulsions sont envoyées dans un amplificateur en espace libre, le plus souvent dans une configuration régénérative ou multipasse. Plusieurs étages d'amplification peuvent être utilisés pour atteindre une puissance encore plus élevée.

Bien que cette approche puisse sembler complexe, les lasers à impulsions ultra-courtes (USP) industriels commerciaux sont extrêmement fiables, grâce au pompage par diode, à une conception opto-mécanique soignée et à des protocoles d'assemblage rigoureux. Les lasers picosecondes USP commerciaux délivrent généralement des largeurs d'impulsion inférieures à 15 ps et une puissance allant jusqu'à 100 W dans l'infrarouge. Une sortie verte et UV est également disponible. Il existe également des lasers USP qui ont des largeurs d'impulsion de centaines de femtosecondes et une sortie de dizaines de watts, également dans l'IR, le visible et l'UV. Les lasers USP commerciaux sont utilisés dans de nombreuses applications de découpe et de perçage microélectroniques de précision, pour la découpe de modules et d'écrans OLED, dans la fabrication de dispositifs médicaux et même dans l'horlogerie.

Les lasers à semi-conducteurs à verrouillage de mode pour les applications scientifiques sont généralement appelés lasers ultrarapides. Avec des largeurs d'impulsion comprises entre 10 fs et 200 fs, ces lasers sont devenus des outils performants pour un large éventail d'investigations en physique, chimie, biologie et science des matériaux. Les lasers ultrarapides se distinguent des lasers USP industriels en ce sens qu'ils offrent généralement des largeurs d'impulsion plus courtes et beaucoup plus de contrôle sur les paramètres de sortie, notamment la longueur d'onde, la largeur d'impulsion, etc.

La clé pour obtenir ces largeurs d'impulsions extrêmement courtes est d'utiliser un cristal de gain qui produit sur une très large gamme de longueurs d'onde. Plus le spectre de sortie est large, plus les impulsions peuvent être courtes. Le matériau le plus populaire actuellement utilisé est Ti:Sapphire. Ce matériau doit être pompé avec une lumière verte, de sorte que la source de pompage est généralement un laser à semi-conducteurs à double fréquence, CW, pompé par diode. Récemment, l'ytterbium s'est avéré être une alternative populaire au Ti:Sapphire.

Alors que les sources laser ultrarapides scientifiques les plus sophistiquées et les plus performantes sont assez complexes, ces produits sont matures et ont tiré parti de tous les avantages de la technologie des microprocesseurs. En conséquence, ils sont extrêmement fiables et la plupart des ajustements de sortie sont effectués via un contrôle logiciel. Cette opération clé en main a permis aux scientifiques de nombreuses disciplines de les utiliser comme n'importe quel autre instrument, sans avoir à développer une expertise particulière.

La technologie à semi-conducteurs fait littéralement partie de l'industrie du laser depuis le premier jour. Les innovations continues qui offrent de meilleures performances, ainsi qu'une fiabilité accrue et des coûts d'exploitation réduits, continuent de maintenir la pertinence et l'emploi fructueux des lasers à solide.

Cet article a été écrit par Jörg Heller, Product Line Manager, Coherent, Inc. (Santa Clara, CA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mars 2022 du magazine Photonics & Imaging Technology.

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