Puissance moyenne incidente (mW)
B. L’amplificateur solide multipassage
Commençons par une remarque concernant le microlaser mégahertz : nous avons observé au bout de plusieurs semaines d’utilisation une certaine dégradation du SESAM utilisé pour déclencher notre microlaser : la cadence et la durée des impulsions demeurent stables, mais la puissance chute d’un facteur 2… Il semble que ce fait soit dû à une dégradation physique du SESAM, sans doute à cause de la puissance de pompe non absorbée traversant le microlaser. On peut imaginer résoudre ce problème en traitant la face arrière du cristal laser HR 808 nm (ce qui permettrait également un double passage du faisceau de pompe dans le cristal et donc une meilleure absorption71.
Après passage dans un système afocal, dans un isolateur optique puis injection dans la fibre monomode, seuls environ 5 mW de rayonnement laser sont disponibles pour l’amplification. Ce qui pourrait ressembler à un problème n’en est cependant pas vraiment un. En effet, la saturation marquée de l’amplificateur fibré rend la puissance obtenue en sortie à peu près constante : que l’on injecte 5 ou 50 mW en entrée, la puissance du faisceau amplifié sera toujours de l’ordre de 120 à 130 mW – ce qui est suffisant pour saturer l’amplificateur solide. De la même façon, les variations d’énergie induites par un changement de cadence du microlaser sont gommées par l’amplificateur : On dispose ainsi d’une source (microlaser + amplificateur fibré) fournissant des impulsions de 400 ps à une cadence continûment variable entre 200 kHz et 1 MHz, et ce avec une puissance moyenne constante de 130 mW. La qualité spatiale du faisceau préamplifié est de plus excellente (M²≈1.1).
On peut à présent envoyer en toute confiance ce rayonnement dans notre amplificateur solide multipassage : nous obtenons en sortie une puissance moyenne d’environ 4W en configuration 6 passages avec un cristal dopé à 0,1%72. La figure III.34 nous confirme la stabilité de la puissance de sortie de l’amplificateur avec la cadence (on pourrait tracer la même courbe en remplaçant en abscisse la cadence par la puissance de sortie du microlaser) : cette robustesse est très intéressante pour palier aux fréquentes sautes d’humeur du microlaser en termes de puissance.
70 Le niveau d’ESA mesuré correspond à environ 0,2% de l’énergie totale dans une bande de longueur d’onde de 1 nm autour de 1064 nm (correspondant grossièrement à l’acceptance spectrale de l’amplificateur solide Nd :YVO4). 71 Pour l’anecdote, des cristaux traités de la sorte on été commandés : ils n’ont malheureusement jamais pu être testés sérieusement du fait de problèmes de croissance des SESAM incombants au fabricant…
72 Si on se réfère à la figure III.25, on attend plutôt 5W. Cette légère perte de puissance peut être imputée à un changement de cristal amplificateur (le premier ayant rendu l’âme suite à une mauvaise manipulation), bien que nous n’ayons pas de certitude sur ce point.
Nous voilà donc parvenus à la configuration suivante [Forget 03] (on peut voir sur la photo III.5 l’ensemble du montage expérimental):
• Une durée d’impulsion de 400 ps.
• Une cadence variable mais que nous fixerons à 1 MHz.
• Une puissance moyenne de 4W, soit 10 kW de puissance crête. • Un faisceau limité par la diffraction.
Armés de ces valeurs, nous allons maintenant pouvoir passer à la dernière étape du système, c'est-à-dire transformer nos ternes photons infrarouges en flamboyants photons verts, rouges et pour finir ultraviolets…
Figure III.34 : puissance de sortie du système (microlaser + préamplificateur fibré + amplificateur solide multipassages) en fonction de la cadence du microlaser.
0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 Cadence (kHz) P ui ssa nc e d e so rt ie ( W )
Photo III.5 : vue d’ensemble du dispositif expérimental.
On trouve la diode de pompe fibrée en bas à gauche : une partie de son rayonnement (en orange) est prélevé et envoyé vers le microlaser (en haut à gauche), tandis que le reste sert à pomper l’amplificateur multipassage (on note la monture en cuivre du cristal de Nd :YVO4 en plein milieu). Le faisceau issu du microlaser (en rouge) est envoyé après passage dans un isolateur optique (cylindre doré) dans l’amplificateur fibré que l’on devine dans le fond (tout en haut au centre, fibre verte). La sortie de cet amplificateur est dirigée vers l’amplificateur multipassage via un autre isolateur optique. Le premier double passage est figuré en rouge, le second (après réflexion sur un premier coin de cube) en orange et le dernier en jaune fournit le faisceau de sortie.
On peut également remarquer la petite boîte noire à l’extrême gauche de la photo : il s’agit du microlaser JDS Uniphase qui peut aussi servir de signal pour l’amplificateur solide multipassages (trait blanc).
Chapitre IV : Les processus non-linéaires
Photo IV.1 : notre laser multicolore…
Introduction
Nous venons de voir qu’en combinant un oscillateur et un amplificateur on peut réaliser un laser présentant les caractéristiques voulues. Cependant les lasers pompés par diodes en général souffrent d’un grave
handicap : leur longueur d’onde
d’émission est déterminée par les niveaux d’énergie du milieu à gain; en d’autre termes, nous ne pouvons que très partiellement contrôler la couleur du laser lui-même. La nature a de plus sournoisement fait en sorte que la quasi-totalité des cristaux lasers susceptibles d’être pompés par diodes n’émettent efficacement que dans l’infrarouge. Il faut donc nous rendre à l’évidence : si les impulsions que nous avons obtenues présentent les qualités spatio-temporelles voulues, elles souffrent d’un défaut rédhibitoire : leur couleur. En effet les molécules biologiques visées ont besoin d’être excitées dans le visible ou le plus souvent dans l’ultraviolet (voir l’introduction générale). Les applications industrielles de type prototypage rapide ou marquage nécessitent quant à elles un
rayonnement UV puissant. Il est donc nécessaire de bâtir un pont au dessus du visible pour passer de l’infrarouge proche à l’UV proche. Nous allons donc décrire dans ce chapitre la mise en œuvre de plusieurs étages de conversion non-linéaire, dont le but sera soit d’atteindre une longueur d’onde donnée (génération d’harmonique), soit d’obtenir une large accordabilité en longueur d’onde. Mais commençons par planter le décor non-linéaire…