Lasers : comprendre les bases

Le dispositif Q-switch actuel est un modulateur acousto-optique ou un modulateur électro-optique (EOM). Les deux utilisent des cristaux dans lesquels un champ électrique appliqué produit une certaine perturbation des propriétés optiques du cristal. Dans le cas des modulateurs acousto-optiques, le champ électrique appliqué est une tension radiofréquence qui produit une onde sonore haute fréquence dans le cristal. Cette onde sonore diffracte les photons du laser et empêche l'amplification du laser. Les EOM utilisent à la place une haute tension appliquée qui modifie l'indice de réfraction du cristal et altère la polarisation de la lumière entrante ; une combinaison appropriée d'optiques sensibles à la polarisation peut être placée dans la cavité pour empêcher la lumière de polarisation modifiée de circuler. D'autres types de lasers, tels que les lasers excimer, ne nécessitent pas de commutateur Q pour produire des impulsions nanosecondes mais s'appuient plutôt sur un transitoire impulsion de pompe : les impulsions du laser Excimer sont produites en excitant le mélange gaz rare/halogène avec une décharge électrique puissante et courte. Les lasers Ti:saphir peuvent également produire des impulsions nanosecondes s'ils sont pompés avec une impulsion nanoseconde de lumière verte produite par un laser YAG à commutation Q doublé en fréquence. Cette méthode est appelée commutation de gain car c'est le gain de la cavité plutôt que la perte de la cavité qui est directement modifié. Outre un grand nombre d'applications industrielles, les lasers à commutation Q ont des applications importantes dans la recherche scientifique. La première consiste à pomper des amplificateurs ultrarapides Ti: saphir (décrits dans la section suivante) en utilisant la sortie à fréquence doublée (verte) d'un Nd: YAG ou Nd: YLF à commutation Q à 1-10 kHz. Un autre utilise le laser YAG ou YLF pour produire des énergies par impulsion dans la plage des joules entre 1 et 100 Hz. Ces lasers sont souvent utilisés avec des générateurs optiques non linéaires capables de produire des longueurs d'onde accordables dans les régions UV, visible et IR, permettant des études résolues en temps et en longueur d'onde. De nos jours, la plupart des lasers YAG ou YLF fonctionnant à >100 Hz sont pompés par diodes, tandis que les systèmes à haute énergie à 10 Hz nécessitent un pompage avec une lampe flash car les diodes ne sont pas adaptées pour produire des impulsions de sortie à haute énergie. Pour certaines applications scientifiques, cela peut être Il est souhaitable d'avoir un laser à commutation Q à largeur de raie étroite. Dans certains cas, cela peut être réalisé en utilisant une combinaison de réseaux optiques et d'étalons ; dans d'autres cas, le laser peut être « ensemencé » avec un laser à faible largeur de ligne étroite CW ou Q-switch qui est plus facile à contrôler que l'étage de puissance plus élevée. Cette approche, appelée « ensemencement par injection », utilise un MOPA (oscillateur maître, amplificateur de puissance), divisant conceptuellement la sélection de la largeur de ligne et la génération de haute puissance en deux étapes conçues de manière optimale pour les deux objectifs.Lasers ultrarapides Les lasers ultrarapides sont généralement définis comme des lasers qui produisent des impulsions comprises entre 5 fs et 100 ps (1 femtoseconde = 10 à 15 secondes). Si un laser est capable d'osciller dans de nombreux modes longitudinaux, de telles impulsions courtes peuvent être produites grâce à la technique dite de verrouillage de mode. Avec cette technique, les modes sont verrouillés en phase (régime de verrouillage de mode) et leur interférence cohérente provoque l'effondrement du champ optique intracavité en une seule impulsion voyageant d'avant en arrière dans la cavité laser. Chaque fois que l'impulsion atteint le miroir de sortie, une partie est couplée et disponible.

La physique montre que plus il y a de modes qui interfèrent, plus la durée de l'impulsion est courte (Figure 7). Étant donné que des bandes passantes laser plus grandes prennent en charge un plus grand nombre de modes d'oscillation, la durée de l'impulsion est inversement proportionnelle à la bande passante du matériau de gain laser. En l'absence de dispersion, ces impulsions sont limitées en largeur de bande temporelle, c'est-à-dire qu'elles ont la longueur la plus courte possible pour une largeur de bande donnée.

Les impulsions ultrarapides sont très utiles en recherche ; Grâce à la courte durée d'impulsion et à la puissance de crête élevée, l'avènement des lasers femtoseconde dans les années 1990 a permis des recherches révolutionnaires menant à des prix Nobel pour la femtochimie (spectroscopie pompe-sonde) et la génération de peignes optiques. Les lasers femtoseconde ont également permis des techniques d'excitation multiphotonique (MPE) qui fournissent une imagerie tridimensionnelle de tissus vivants. Le MPE est désormais largement utilisé dans plusieurs domaines de la recherche biologique, notamment les neurosciences.