Aujourd'hui, nous allons présenter un laser « monochromatique » à l'extrême : un laser à raie spectrale très étroite. Son apparition comble les lacunes dans de nombreux domaines d'application des lasers et, ces dernières années, il a été largement utilisé dans la détection des ondes gravitationnelles, le LiDAR, la détection distribuée, les communications optiques cohérentes à haut débit et d'autres domaines, une « mission » qui ne peut être accomplie par la seule augmentation de la puissance du laser.
Qu'est-ce qu'un laser à faible largeur de raie ?
Le terme « largeur de raie » désigne la largeur spectrale de la raie laser dans le domaine fréquentiel, généralement quantifiée par la largeur à mi-hauteur (FWHM). La largeur de raie est principalement influencée par le rayonnement spontané des atomes ou ions excités, le bruit de phase, les vibrations mécaniques du résonateur, les variations de température et d'autres facteurs externes. Plus la largeur de raie est faible, plus la pureté du spectre est élevée, c'est-à-dire meilleure est la monochromaticité du laser. Les lasers présentant de telles caractéristiques ont généralement un très faible bruit de phase ou de fréquence, ainsi qu'un très faible bruit d'intensité relative. Par ailleurs, plus la largeur de raie du laser est faible, plus sa cohérence est forte, ce qui se traduit par une longueur de cohérence extrêmement élevée.
Réalisation et application d'un laser à largeur de raie étroite
Du fait de la largeur de raie intrinsèque du fluide laser, il est quasiment impossible d'obtenir directement un laser à raie spectrale étroite en utilisant uniquement un oscillateur traditionnel. Pour ce faire, il est généralement nécessaire d'utiliser des filtres, des réseaux et d'autres dispositifs afin de limiter ou de sélectionner le module longitudinal dans le spectre de gain, d'accroître la différence de gain nette entre les modes longitudinaux et de réduire ainsi le nombre d'oscillations longitudinales, voire à un seul, dans le résonateur laser. Ce processus implique souvent de contrôler l'influence du bruit sur le signal de sortie du laser et de minimiser l'élargissement des raies spectrales dû aux vibrations et aux variations de température de l'environnement extérieur. Parallèlement, l'analyse de la densité spectrale du bruit de phase ou de fréquence permet d'identifier les sources de bruit et d'optimiser la conception du laser, afin d'obtenir un signal de sortie stable pour un laser à raie spectrale étroite.
Examinons la réalisation d'un fonctionnement à faible largeur de raie pour plusieurs catégories de lasers.
Les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages suivants : taille compacte, rendement élevé, longue durée de vie et avantages économiques.
Le résonateur optique Fabry-Perot (FP) utilisé dans les dispositifs traditionnelslasers à semi-conducteursIl oscille généralement en mode multi-longitudinal et la largeur de la ligne de sortie est relativement importante ; il est donc nécessaire d'augmenter la rétroaction optique pour obtenir une sortie de largeur de ligne étroite.
Les lasers à rétroaction distribuée (DFB) et à réflexion de Bragg distribuée (DBR) sont deux exemples typiques de lasers à semi-conducteurs à rétroaction optique interne. Grâce à un faible pas de réseau et à une bonne sélectivité spectrale, il est aisé d'obtenir une émission stable à fréquence unique et à faible largeur de raie. La principale différence entre les deux structures réside dans la position du réseau : la structure DFB répartit généralement la structure périodique du réseau de Bragg dans tout le résonateur, tandis que le résonateur du DBR est généralement composé d'une structure de réseau de réflexion et d'une zone de gain intégrée à la surface d'extrémité. De plus, les lasers DFB utilisent des réseaux intégrés à faible contraste d'indice de réfraction et à faible réflectivité, tandis que les lasers DBR utilisent des réseaux de surface à fort contraste d'indice de réfraction et à forte réflectivité. Les deux structures présentent une large gamme spectrale libre et permettent un accord en longueur d'onde sans saut de mode sur une plage de quelques nanomètres, le laser DBR offrant une plage d'accord plus étendue.Laser DFBDe plus, la technologie de rétroaction optique à cavité externe, qui utilise des éléments optiques externes pour rétroagir la lumière sortante de la puce laser semi-conductrice et sélectionner la fréquence, peut également permettre un fonctionnement à largeur de raie étroite du laser semi-conducteur.
(2) Lasers à fibre
Les lasers à fibre présentent un rendement de conversion de pompage élevé, une bonne qualité de faisceau et un rendement de couplage élevé, ce qui en fait des sujets de recherche très actifs dans le domaine des lasers. À l'ère de l'information, ils sont parfaitement compatibles avec les systèmes de communication par fibre optique actuellement disponibles sur le marché. Le laser à fibre monomode, grâce à sa faible largeur de raie, son faible bruit et sa bonne cohérence, constitue l'un des axes de développement majeurs.
Le fonctionnement monomode longitudinal est essentiel au fonctionnement des lasers à fibre pour obtenir une raie spectrale étroite. Selon la structure de leur résonateur, on distingue généralement les lasers à fibre monomodes de type DFB, DBR et à anneau. Le principe de fonctionnement des lasers à fibre monomodes DFB et DBR est similaire à celui des lasers à semi-conducteurs DFB et DBR.
Comme illustré sur la figure 1, le laser à fibre DFB utilise un réseau de Bragg distribué (DFB) gravé dans la fibre. La longueur d'onde de fonctionnement de l'oscillateur étant déterminée par la période de la fibre, le mode longitudinal peut être sélectionné grâce à la rétroaction distribuée du réseau. Le résonateur laser d'un laser DBR est généralement constitué d'une paire de réseaux de Bragg sur fibre, et le mode longitudinal unique est principalement sélectionné par des réseaux de Bragg à bande étroite et à faible réflectivité. Cependant, en raison de la longueur de son résonateur, de sa structure complexe et de l'absence d'un mécanisme de discrimination de fréquence efficace, la cavité annulaire est sujette aux sauts de mode et il est difficile d'y maintenir un fonctionnement stable en mode longitudinal constant sur une longue période.
Figure 1, Deux structures linéaires typiques à fréquence uniquelasers à fibre
Date de publication : 27 novembre 2023