13 juillet 2010
Page modifiée le vendredi 13 avril 2012
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2010
Record d’efficacité battu pour un laser organique à film mince

Une équipe du LPL vient de démontrer un rendement de conversion optique-optique record (43%) pour un laser visible dont le milieu amplificateur est constitué d’un film mince organique. En offrant de plus une qualité de faisceau limitée par la diffraction contrairement à la plupart des lasers organiques des structures similaires, la nouvelle architecture laser ainsi démontrée — transposée d’une structure analogue développée pour les lasers à semiconducteurs — est un important pas en avant vers les applications pratiques.

Un laser organique, pour quoi faire ?

Les lasers organiques ont comme milieu amplificateur des petites molécules ou des polymères pi-conjugués. A l’inverse des lasers à colorant liquides, les lasers solides sont compacts, simples à utiliser (pas de solvants toxiques), et potentiellement réalisables en série à très bas coût, tout en gardant l’avantage-clé des lasers à colorant que constitue l’agilité en longueur d’onde sur tout le spectre visible.

L’objectif à long terme de ce travail est de réaliser des sources laser à bas coût, accordables en longueur d’onde, qui pourraient en fin de compte être alimentées par une simple batterie. Ces lasers trouveraient des applications dans les domaines des capteurs (chimiques ou biologiques), des mesures optiques par laser et de la spectroscopie, ou encore des télécommunications courte distance par fibre optique plastique. Un inconvénient majeur souvent associé aux lasers organiques est leur durée de vie limitée par la photodégradation rapide des molécules organiques ; cependant pour de nombreuses applications réclamant une utilisation ponctuelle ou intermittente du laser (comme une mesure par exemple), un temps de vie modéré peut être compensé par un très faible coût.

Le concept du VECSOL

Les architectures de lasers organiques se séparent en deux grandes familles : les structures à résonateur externe, directement inspirées des lasers solides « traditionnels » à base de cristaux, conçues à partir de blocs massifs de polymères ou de sol-gels dopés, et les structures à base de films minces. Les premiers ont l’avantage de présenter de forts rendements de conversion et de bonnes qualités de faisceau, mais les techniques de fabrication des matériaux (incluant un poli optique des surfaces) sont souvent relativement longues et complexes. A l’inverse les lasers à base de films minces sont très économiques et faciles à fabriquer, ont des seuils très bas et sont conformables simplement grâce aux techniques issues de la microélectronique. Leur rendement dépasse rarement les 10% et la qualité de faisceau n’est pas parfaite, surtout pour les dispositifs émettant par la tranche. La plus grande efficacité (à notre connaissance) pour un laser à film mince a été rapportée par Kozlov et al. (Nature 389, 6649, 1997) qui affiche un rendement de 30% (énergie laser sur énergie de pompe) dans un laser à guide d’onde à double hétérostructure, avec un faisceau limité par diffraction dans seulement une direction.

Nous avons démontré ici un rendement record de 43% en réalisant un laser à film mince en cavité externe, avec un faisceau limité par la diffraction (M²=1). La structure utilisée est transposée d’une architecture bien connue dans le domaine des lasers à semiconducteurs, appelée Laser à cavité externe verticale (VECSEL : Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser), et rebaptisée ici VECSOL pour Vertical External Cavity Surface-emitting Organic Laser (voir figure).

Ces performances élevées s’expliquent par d’une part l’utilisation d’un film organique relativement épais (17 µm) déposé à la tournette, un recouvrement optimal entre mode de pompe et mode de cavité, et par un pompage impulsionnel à la fois intense (10 fois au dessus de l’intensité de saturation) et long (durée d’impulsion de 7 ns, supérieur au temps de vie effectif du milieu), ce qui permet au laser d’atteindre le régime stationnaire pendant chaque impulsion, optimisant ainsi l’extraction de l’énergie stockée.



Record d’efficacité battu pour un laser organique à film mince



En savoir plus

[1] Hadi Rabbani-Haghighi, Sébastien Forget, Sébastien Chénais, and Alain Siove, Highly efficient, diffraction-limited laser emission from a vertical external-cavity surface-emitting organic laser, Optics Letters, 35, Issue 12, 1968-1970, (2010).

doi:10.1364/OL.35.001968

lien ArXiV

http://www.optoiq.com/index/photonics-technologies-applications/lfw-display/lfw-article-display/articles/optoiq2/photonics-technologies/technology-products/lasers-__sources/other-lasers/2010/7/photonic-frontiers.html




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