pic représente le pic d’émission décalé à cause de l’angle d’inclinaison du cristal.
Figure 2.8 – Figure du dessus : spectre d’émission du laser rouge. Figure du dessous :
différents spectres d’émission du laser UV obtenus en inclinant le cristal BBO, figure issue
de [Forget et al., 2011].
2.2 Optimisation du VECSOL
La suite relate les expériences d’optimisation qui ont été menées au début de ma thèse. Notre but a été d’étudier la dépendance des performances du VECSOL avec le coupleur de sortie, la longueur de la cavité, la longueur de l’impulsion de pompe de manière à chercher les performances optimales en termes de seuil et d’efficacité afin de réaliser un dispositif final performant.
Chapitre 2. Les VECSOLs
2.2.1 Optimisation du coupleur de sortie
Une première expérience consiste à chercher pour quel coupleur de sortie, l’efficacité de conversion est la plus grande. Avec les coupleurs de sortie dont nous disposons, nous avons mesuré pour une énergie de pompe absorbée fixe de 5 µJ, l’énergie en sortie du laser. La molécule organique utilisée est la Rh640, sa concentration dans le PMMA est de 1 % en masse. Ces mesures ont été réalisées avec le laser de pompe Teem Photonics, un laser Nd :YAG Q-switched émettant à 1064 nm à une durée d’impulsion de 0.5 ns. Cependant, la longueur d’onde a été doublée en fréquence, car les molécules organiques n’absorbent pas dans l’IR. La longueur d’onde d’excitation est par conséquent de 532 nm. Le laser fonctionne à un taux de répétition de 10 Hz.
Voici en Fig.2.9, l’efficacité de conversion en fonction du coupleur de sortie. Nous constatons que les coupleurs de coefficient de réflexion de 94 % et 95 % donnent les meilleures efficacités.
Figure 2.9 – Efficacité de conversion en fonction du coupleur de sortie pour le VECSOL
Rh640 à 1 % en masse dans le PMMA. Mesures réalisées avec le Teem Photonics, à 532 nm, 10 Hz et à une énergie absorbée de 5µJ.
VEC-2.2. Optimisation du VECSOL
SOLs est la possibilité de réaliser une cavité ouverte potentiellement longue. Néanmoins, l’efficacité du laser décroît quand la longueur de la cavité augmente ou si cette dernière est fixée, lorsque la durée des impulsions de pompe diminue (voir §2.1.3). Il est donc né-cessaire de quantifier précisément cette relation efficacité/longueur de cavité pour chaque laser de pompe utilisé. Nous avons pu mesurer une émission laser pour une cavité allant jusqu’à 1.5 cm avec les coupleurs de 95 %, 97 % et 99 %, et en utilisant la Rh640 comme molécule. Pour une longueur de 1 cm, seul une faible émission laser est encore observable avec les deux premiers coupleurs, voir Fig.2.10.
Figure 2.10 – Efficacités de conversion du VECSOL Rh640 à 1 % en masse dans le
PMMA en fonction de la longueur de la cavité. Mesures réalisées pour des coupleurs de sortie de 95 %, 97 % et 99 % en coefficient de réflexion, de 200 mm de rayon de courbure et d’énergie de pompe absorbée de 12 µJ.
Nous voyons qu’avec le laser Teem Photonics et ses impulsions courtes (0.5 ns), nous sommes limités à des longueurs de cavité inférieures à 1 cm, ce qui est trop juste pour l’insertion d’éléments intracavités. La prochaine étape consiste à essayer d’augmenter la longueur de la cavité. Pour cela, nous utiliserons un laser de pompe avec une durée d’impulsion plus longue.
Chapitre 2. Les VECSOLs
2.2.2 Performances avec le Harrier
Le laser Harrier (provenant de chez Quantronix Inc.) est également un laser Nd :YAG émettant à 1064 nm, mais la durée des impulsions, plus longue, est de 25 ns. Le taux de répétition du laser reste de 10 Hz. La fréquence du laser a été doublée pour pouvoir l’utiliser comme laser de pompe pour le VECSOL.
Comme discuté ci-dessus, nous nous attendons à obtenir un effet laser avec des lon-gueurs de cavité plus longues en utilisant un laser de pompe émettant des impulsions plus longues. Sur la Fig.2.11.a représentant l’énergie en sortie du laser normalisée en fonction de la longueur de la cavité, nous constatons que pour le VECSOL Rh640 (1 %) : PMMA, nous pouvons aller jusqu’à une cavité de 3 cm de long (environ) avec ce laser de pompe, cela représente quasiment trois fois plus qu’avec le laser de pompe Teem Photonics dont la durée d’impulsion est de 0.5 ns. Nous avons également travaillé avec un autre matériau très photostable, le pyrrométhène 597 (dont des caractéristiques spectrales sont données dans l’Annexe B) dissous à 0.25 % en masse dans du PMMA de manière à garantir une absorption du milieu en simple passage de l’ordre de 60 %, et nous observons que la longueur de la cavité peut être encore améliorée : l’effet laser se produit pour ce laser pour une cavité allant jusqu’à 10 cm environ, résultats présentés sur la même Fig.2.11.a. Cependant, il est important de prendre en compte la densité de pompe absorbée. En effet, si nous travaillons avec une densité de puissance de pompe absorbée identique, alors nous constatons que le matériau a peu d’influence sur la longueur de la cavité maximale que nous pouvons atteindre, voir la Fig.2.11.b.
En Fig.2.12, nous avons représenté pour quelques longueurs de cavité, l’énergie en sortie du laser en fonction de l’énergie absorbée pour le VECSOL PM597 (0.25 %) : PMMA. Nous remarquons d’une part, que l’efficacité de conversion diminue quand la longueur de la cavité augmente et d’autre part, que le seuil d’émission augmente lorsque la longueur de la cavité augmente.
Ces expériences montrent que l’efficacité de conversion dépend de la longueur de la cavité et de la durée de l’impulsion de pompe. L’évolution de l’énergie en sortie en fonction de la longueur de la cavité peut s’expliquer sur la base d’un modèle dynamique d’équations laser couplées (équations de taux d’un laser à quatre niveaux couplées avec l’équation d’évolution du nombre de photons dans la cavité, ensemble d’équations appelé « de Statz-DeMars ») : le modèle permet d’expliquer les tendances observées, mais étant donnée que
2.2. Optimisation du VECSOL
je n’ai pas directement travaillé sur ce modèle pendant ma thèse, je ne présenterai pas ces résultats ici.
Figure 2.11 – Energie en sortie du laser en fonction de la longueur de la cavité pour les
VECSOLs Rh640 (1 %) : PMMA et PM597 (0.25 %) : PMMA pompé avec le Harrier : en a) pour des densités de pompe absorbées respectives différentes et en b) pour des densités de pompe absorbées respectives identiques.
Figure 2.12 – Energie de sortie en fonction de l’énergie absorbée par le VECSOL PM597
(0.25 %) : PMMA pour différentes longueurs de cavité. Coupleur de sortie : 98 % de réflectivité.
Chapitre 2. Les VECSOLs
sortie influençaient l’efficacité du laser, mais que la longueur de la cavité et la durée de l’impulsion de pompe jouaient aussi un rôle. En optimisant tous ces paramètres, nous avons réussi à obtenir une efficacité de conversion de 61.5 % (avec une « slope efficiency » de 71 %), ce qui constitue à notre connaissance le record d’efficacité pour un laser orga-nique en couche mince, voir Fig.2.13. Ce résultat a été obtenu avec un VECSOL à base de Rh640 (1 %) : PMMA dont la longueur de la cavité est de 1 mm (quasiment la plus petite que nous puissions avoir), et le coupleur de sortie de 95 %. Le seuil d’émission est de 0.4 µJ, soit une densité d’énergie absorbée de 2 mJ.cm−2.
Figure 2.13 – Meilleures performances (efficacité de conversion de 61.5 %) avec le
VEC-SOL Rh640 (1 %) : PMMA obtenues avec le laser de pompe Harrier (25 ns de durée d’impulsions), à 532 nm, à une cadence de 10 Hz, pour une longueur de cavité de 1 mm et un coupleur de sortie de coefficient de réflexion de 95 % avec une courbure de 200 mm. Diamètre du faisceau de pompe : 570 µm*880µm.