Laser

permet d’extraire de la lumière de ce système, pour obtenir le rayonnement laser utilisable.

Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis réamplifié etc. Si les pertes introduites par le miroir partiellement réfléchissant sont au moins compensées par le gain apporté par le milieu amplificateur (condition d’auto oscillation satisfaite) on obtient alors un rayonnement laser.

On peut ainsi construire un rayonnement extrêmement important, cohérent, mono chromatique même à partir d’un rayonnement extrêmement faible (comme un seul photon émis spontanément dans la cavité).

I. Caractérisation de la diode-laser

Avant toute chose, il faut s’assurer que la commande d’intensité soit tournée à fond vers la gauche, puis mettre le boîtier de commande sous tension et tourner la clef en position « ON ». C’est seulement après ces réglages qu’on peut faire varier la tension.

Dans un premier temps, nous avons réglé la température de la diode-laser à 25°C et le courant d’alimentation i à une valeur permettant de visualiser le faisceau sur l’écran placé devant la photodiode de mesure.

A la sortie de la diode-laser, le collimateur est déjà en place : il nous permet d’obtenir un faisceau de sortie parallèle à la sortie de la diode. A cause de la petite ouverture de cette dernière, il y a un effet de diffraction qui donne un faisceau très divergent. Le collimateur (focale très petite) permet de corriger ce problème.

On centre le faisceau de la diode laser grâce à ses propres vis XY

On règle ensuite le centrage de la photodiode sur son support en plaçant ses vis XY en position moyenne. La photodiode nous permet de visualiser sur un multimètre ou sur un oscilloscope une tension continue proportionnelle au flux lumineux reçu (via un amplificateur de signal).

Une fois que le faisceau à la sortie de la lentille est à peu près parallèle, la diode-laser est réglée.

On fait varier le courant d’alimentation jusqu’à la valeur maximale. On trace la courbe donnant la tension de la diode (continue et proportionnelle au flux lumineux émis par la diode laser) en fonction du courant d’alimentation qui traverse la diode laser (température constante).

On fera attention à ne pas saturer la photodiode, afin de ne pas fausser les mesures (la tension ne serait alors plus proportionnelle au flux lumineux).

Voir feuille annexe 1 pour la courbe.

A partir de la courbe, on peut déterminer le courant d’alimentation i seuil pour que la diode fonctionne en émission stimulée. Il correspond au début de la partie linéaire de la courbe, partie qui nous intéresse, la tension étant nulle avant.

On trouve i = 160 mA

II. Caractérisation de l’élément amplificateur : le barreau Nd-YAG

Le barreau Nd-YAG est un cristal de 5mm de long pour quelques mm de diamètre. Il est constitué d’une matrice de grenat d’YTRIUM avec l’ion NEODYME. Les deux faces du cristal sont planes et la face d’entrée est traitée réfléchissante avec un facteur de réflexion égal à 100% pour les longueurs d’ondes 1064 et 532nm

Afin d’obtenir l’effet laser, nous devons respecter deux conditions :

- i diode doit être suffisante pour que la diode émette un faisceau intense (i=600 mA)

- λ rayonnement émis par la diode = λ absorption du milieu actif (ici barreau Nd-YAG) afin que la diode remplisse son rôle de « pompe » et que le barreau soit bien un élément actif amplificateur (inversion de population).

Nous allons donc déterminer les longueurs d’ondes d’absorption du YAG en faisant varier les longueurs d’ondes émises par la diode laser.

Pour cela, on place la lentille de focalisation de 60mm de focale à environ 5cm du collimateur. On place ensuite le barreau sur le point de focalisation de cette lentille, donc à environ 60mm

La longueur d’onde émise par la diode laver dépend à la fois de la température et du courant d’alimentation. Pour faire varier les longueurs d’onde d’émission de la diode, il faut donc :

- on fixe un courant d’alimentation > valeur seuil (600 mA)

- on fait ensuite varier la température de la diode laser entre 10 et 40°C tous les degrés.

On mesure alors le flux lumineux transmis par le barreau Nd-YAG en fonction de la température, la photodiode donnant une tension continue proportionnelle au flux lumineux reçu.

On trace la courbe donnant la tension en fonction de la température (voir annexe 2). On obtient le spectre de transmission du barreau, présentant des minima et des maxima d’absorption du YAG.

Le point de fonctionnement optimal est le minimum absolu en transmission. La température idéale, c'est-à-dire la température nous donnant la transmission la plus faible, vaut T = 20°C d’après la courbe obtenue.

III. Obtention de l’effet laser continu infrarouge

Pour obtenir l’effet laser, il faut refermer la cavité de façon à créer une cavité résonnante pour amplifier l’émission stimulée provoquée dans le barreau. Pour cela, on place à 5cm environ après le barreau de YAG, le miroir de sortie (R=99.8% à 1064nm).

Le pompage du barreau se fait à la longueur d’onde émise par la diode laser à la température optimale trouvée (ici 20°C), et pour qu’il y ait effet laser, il faut que la condition d’auto-oscillation soit vérifiée dans la cavité (pertes P de la cavité < gain G apporté par le barreau). La cavité doit alors être parfaitement alignée.

Avant de réaliser l’alignement, on place un filtre RG1000 devant la photodiode. Ce filtre va filtrer la lumière transmise par le barreau en sélectionnant uniquement la longueur d’onde 1064nm.

On règle maintenant l’alignement :

- on met les montures des optiques les plus parallèles possible à l’œil nu

- on fixe la monture portant le YAG sur le banc. On ne visse pas complètement l’autre monture : on la fait pivoter jusqu’à voir des flashes de lumière laser sur l’écran phosphorescent sensible aux IR (placé juste avant la photodiode et après le filtre).

- On optimise enfin le réglage des miroirs de façon à optimiser et obtenir une tension donnée par la photodiode voisine de 1,5 V.

Après avoir atteint notre réglage optimal (puissance lumineuse importante, trace du faisceau bien circulaire et uniforme), on fait varier la valeur du courant d’alimentation de la diode