FR2661785A1 - Laser accordable et procede de fabrication. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les lasers. Pour rendre un laser accordable par un moyen simple, on propose selon l'invention de réaliser l'un des miroirs (M1) de la cavité laser avec des propriétés de réflectivité sélectives variables le long de la surface du miroir, en prévoyant des moyens mécaniques de déplacement du miroir devant l'axe du faisceau. Le laser s'accordera sur la longueur d'onde pour laquelle la surface de miroir qu'il rencontre a un pic de réflectivité. La variation de position du pic de réflectivité peut être obtenue par variation des épaisseurs des couches minces formant le miroir puisque la longueur d'onde correspondant au pic est directement liée aux épaisseurs de ces couches. La variation d'épaisseur est obtenue de préférence par dépôt épitaxial avec gradients de température du substrat.

Description

LASER ACCORDABLE ET PROCEDE DE FABRICATION
L'invention concerne les lasers et a pour but de proposer une structure de laser qui soit facilement accordable en fréquence, et un procédé de fabrication permettant de le réaliser.

On rappelle, en référence à la figure 1, qu'un laser est constitué généralement par un milieu amplificateur 10 placé dans une cavité dont les extrémités sont constituées par des miroirs Ml et M2, l'un d'eux (le miroir de sortie M2) étant partiellement transparent pour la longueur d'onde émise par le laser.

Le milieu amplificateur 10 comporte des ions actifs qui peuvent être excités par une source de pompage 12 (souvent un laser auxiliaire de pompage) ; cette source a pour fonction d'exciter les électrons des ions actifs d'un niveau d'énergie à un niveau supérieur d'où ils peuvent retomber, directement ou indirectement, au premier niveau en émettant des photons à une longueur d'onde déterminée ou dans une gamme de longueurs d'onde déterminée, et avec une cohérence de phase.

On cherche de plus en plus à faire en sorte que les lasers soient accordables en fréquence, c'est-à-dire qu'on veut pouvoir ajuster volontairement la longueur d'onde de la lumière qu'ils émettent.

Pour cela on utilise des lasers émettant dans une large bande spectrale, tels que par exemple les lasers de type vibronique et notamment les lasers au saphir dopé au titane trivalent Ti3+ : M2 03, et on sélectionne la fréquence désirée par des filtres biréfringents placés dans la cavité résonnante.

Un autre moyen de rendre un laser accordable réside dans le contrôle de la température de la cavité ou du milieu amplificateur.

Ces moyens de réglage de fréquence sont difficiles à mettre en oeuvre, ou bien entraînent des pertes de puissance du laser.

Un moyen d'accord relativement simple existe pour les diodes laser ; c'est le réglage du courant d'injection dans la diode. Mais ce moyen n'existe que pour les lasers à semiconducteurs.

La présente invention a pour but de proposer un laser facilement accordable par des moyens qui sont simples, qui n'engendrent pas de pertes de puissance, et qui sont applicables à tous les types de laser à cavité délimitée par des miroirs.

Selon l'invention, on propose un laser comportant un milieu amplificateur, une source de pompage pour exciter le milieu amplificateur, et au moins deux miroirs définissant une cavité contenant le milieu amplificateur, caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs présente un pic de réflectivité sélectif à une longueur d'onde qui varie le long de la surface du miroir, et en ce que le miroir est déplaçable par rapport au milieu amplificateur pour permettre de placer une partie déterminée du miroir dans l'axe du faisceau laser engendré par le milieu amplificateur, et faire ainsi varier la longueur d'onde émise en fonction du déplacement du miroir.

Le milieu amplificateur, qui a une certaine bande spectrale d'émission, verra en effet des conditions de résonance préférentielles pour la longueur d'onde située au sommet du pic de réflectivité ; si cette longueur d'onde se situe bien dans la bande spectrale d'émission du milieu amplificateur, le laser s'alignera sur elle. On obtient ainsi un laser accordable par simple déplacement mécanique d'un miroir.

En pratique, le miroir déplaçable sera réalisé à partir de plusieurs couches minces superposées, d'indices différents.

On sait que le coefficient de réflexion d'un miroir réalisé par une alternance de couches minces présente un pic très accentué pour une longueur d'onde qui est directement liée aux épaisseurs et aux indices optiques des couches. On propose selon l'invention de réaliser un miroir présentant des gradients d'épaisseurs (et/ou éventuellement d'indices optiques) de manière que la longueur d'onde du pic de réflectivité se déplace le long de la surface du miroir.

De préférence, le miroir est un réflecteur de Bragg constitué par un empilement régulier de couches alternées d'indices optiques différents (plus la différence est faible plus il y aura de couches empilées).

Les couches alternées peuvent être diélectriques (leurs indices peuvent être très différents et le nombre de couches sera très faible) mais elles sont de préférence semiconductrices et monocristallines, car on peut alors les déposer par épitaxie et contrôler très bien les épaisseurs des couches.

Les gradients d'épaisseur seront facilement obtenus lors du dépôt (tout particulièrement dans le cas des croissances épitaxiales) en produisant des gradients de température à la surface du substrat sur lequel on provoque les dépôts.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement la constitution classique d'un laser
- la figure 2 représente schématiquement un laser selon l'invention
- la figure 3 représente les coefficients de réflexion en fonction de la longueur d'onde pour un miroir réalisé par superposition de couches minces d'indices optiques différents
- la figure 4 représente une variante de réalisation du laser selon l'invention;
- la figure 5 représente un support pour le substrat sur lequel est formé le miroir déplaçable, en vue de produire des gradients d'épaisseurs de dépôt;
- la figure 6 représente une variante de réalisation du support de la figure 5.

Sur la figure 2, on voit la structure générale du laser selon l'invention : l'un des miroirs définissant la cavité, dans cet exemple le miroir Ml qui n'est pas le miroir de sortie, est réalisé à partir de couches minces 18, 20 déposées sur un substrat 22, et ces couches minces ont des épaisseurs qui varient le long de la surface du miroir.

La surface du miroir est perpendiculaire à l'axe du faisceau laser engendré, et les épaisseurs de couches sont mesurées selon cet axe. On a représenté symboliquement cette variation d'épaisseurs par le fait qu'une couche 18 d'indice de réfraction nl a d'un côté une épaisseur el et de l'autre côté une épaisseur e'l ; de la même manière, une couche mince 20 d'indice n2 a d'un côté une épaisseur e'l et de l'autre une épaisseur e'2 (on suppose que les indices ne varient pas d'un côté à l'autre, mais ils pourraient aussi varier).

La variation d'épaisseur sera en général progressive et régulière le long de la surface du miroir M1. Elle peut être plus ou moins discontinue, avec des paliers d'épaisseur relativement constante.

Le miroir est déplaçable mécaniquement dans son propre plan, pour amener volontairement une partie ou une autre de la surface du miroir dans l'axe de la cavité qui produit le faisceau laser.

A titre d'exemple, pour un laser au saphir-titane, le barreau de saphir servant de milieu amplificateur 10 a un diamètre de quelques millimètres, et le faisceau laser un diamètre de l'ordre du millimètre. Le miroir M1 peut alors avoir une dimension latérale de l'ordre de 1 centimètre avec des gradients d'épaisseur le long de cette dimension.

Le déplacement mécanique du miroir se fera selon une direction où les épaisseurs varient, par exemple verticalement sur le dessin de la figure 2. C'est un déplacement dans le plan du miroir pour un miroir plan, mais on peut aussi imaginer un déplacement en rotation et en translation pour un miroir courbe.

Le miroir de sortie M2 est de préférence courbe, comme ctest d'ailleurs souvent le cas dans les lasers classiques, pour faciliter la concentration du faisceau laser sur une section nettement plus petite que la section du barreau constituant le milieu amplificateur 10.

On pourrait d'ailleurs prévoir que c'est le miroir de sortie qui possède des couches minces d'épaisseurs variables, à condition toutefois que le support 22 de ces couches soit parfaitement transparent, afin que le faisceau laser puisse sortir sans pertes.

Le coefficient de réflexion d'un miroir réalisé à partir de couches minces superposées varie avec la longueur d'onde avec une forme telle que celle qui est représentée à la figure 3 : il y a un pic de réflectivité dont le sommet atteint pratiquement 100 % (réflexion totale) pour une longueur d'onde liée directement aux indices de réfraction et aux épaisseurs de couches.

Par exemple, la courbe Ci représente le coefficient de réflexion pour une première constitution de couches superposées et le maximum du pic est à une longueur d'onde L1. Et la courbe C'1 représente le coefficient de réflexion pour une deuxième constitution de couches, par exemple avec les mêmes indices de réfraction mais des épaisseurs différentes. Le sommet du pic est à une longueur d'onde L'1.

Et si on fait varier continûment ou par paliers les épaisseurs pour passer de la première constitution à la seconde, le sommet du pic va se déplacer en continu ou par paliers de L1 à L'1.

Or, une cavité laser émet un faisceau laser à une longueur d'onde pour laquelle des conditions de résonance apparaissent.

Pour cela il faut que le milieu amplificateur émette des photons à une longueur d'onde pour laquelle les coefficients de réflexion des miroirs de la cavité sont très élevés.

Pour un laser susceptible d'émettre dans une bande spectrale relativement large (c'est le cas par exemple des lasers de type vibronique), les conditions de résonance seront optimales pour la longueur d'onde à laquelle les coefficients de réflexion des miroirs pondérés par la distribution spectrale du gain du milieu laser sont les plus élevés. Le miroir de sortie
M2 est supposé à large bande, c'est-à-dire qu'il réfléchit, avec un coefficient de réflexion de l'ordre de 95 %, une large gamme de longueurs d'onde. La résonance sera alors liée au pic de réflectivité du miroir M1 et le laser émettra sur la longueur d'onde correspondant au pic. Et le pic varie en fonction des épaisseurs de couches du miroir.

On réalise ainsi un laser accordable par déplacement mécanique d'un miroir ayant des épaisseurs de couches variables.

Si le miroir Ml et le miroir M2 sont tous deux déplaçables et tous deux réalisés avec des épaisseurs variables, ils participent tous deux à l'accord de fréquence, mais bien entendu il faut faire coïncider leurs pics de réflectivité.

Une manière de réaliser le miroir à gradients d'épaisseur est de former un empilement multiple de couches alternées dont les caractéristiques (épaisseurs et indices) se répètent régulièrement dans le sens de l'empilement (réflecteur de
Bragg). Mais au lieu de réaliser un réflecteur classique dans lequel les épaisseurs sont constantes le long de la surface, on fera varier les épaisseurs de manière continue (on pourrait bien sûr envisager une variation discontinue mais la réalisation serait plus difficile). Autrement dit, les épaisseurs se répètent uniformément en alternance perpendiculairement à la surface du miroir mais varient le long de la surface du miroir.

Un des intérêts majeurs de cette réalisation est qu'on peut utiliser comme couches minces des couches semiconductrices, ou d'autres couches facilement déposables par épitaxie, car alors on peut contrôler très bien les épaisseurs des couches.

Dans ce cas, on peut utiliser des couches d'indices optiques voisins les uns des autres, ce qui permet d'obtenir une très forte sélectivité de longueur d'onde : le pic de réflectivité est très étroit, de largeur à mi-hauteur proportionnelle à (nl - n2)/(nl + n2). Il faut alors plusieurs dizaines de couches alternées pour avoir un coefficient de réflexion voisin de 100 0a mais si on contrôle bien la reproductibilité des épaisseurs d'une couche à l'autre, ce qui est possible notamment avec des croissances épitaxiales, on garde la forte sélectivité de réflexion.

Puisque la sélectivité est forte, on peut alors avoir un accord de fréquence très précis.

A titre d'exemple, avec un empilement de 25 périodes spatiales d'une alternance de couches semiconductrices d'arsénium de gallium d'épaisseur 64 nanomètres et d'arsénium de gallium-aluminium Ga0,55Al0,45As de 63 nanomètres, on obtient un maximum de réflexion à une longueur d'onde de 0, 87 micromètre (réflexion très proche de 100 %).

Mais si on varie les épaisseurs, par exemple en réduisant celle de la deuxième couche de 63 à 60 nanomètres environ, on peut déplacer le pic de réflectivité vers 0,84 micromètre. Et si la variation d'épaisseur est plus grande, le déplacement du pic est plus important.

En pratique, il faut savoir qu'on peut faire varier aussi bien l'épaisseur que l'indice optique et que d'ailleurs, lors de la croissance épitaxiale des couches, l'action sur la variation d'épaisseur pourra modifier également légèrement les compositions des couches semiconductrices donc leurs indices, mais le résultat obtenu sera exactement le même : une variation de la longueur d'onde du pic de réflectivité en fonction de la position géographique du faisceau sur une position ou une autre du miroir.

La figure 4 représente, à titre d'exemple seulement une autre possibilité, montrant que le miroir à couches d'épaisseurs variables n'est pas forcément l'un des deux miroirs principaux de la cavité dans cet exemple, les miroirs principaux sont désignés par M'i et M2 ; une lame séparatrice semi réfléchissante 16 est interposée, dans la cavité, entre le milieu amplificateur 10 et le miroir de sortie M2, et renvoie vers un miroir auxiliaire M1, à travers une lentille 24, une partie du faisceau laser. C'est ce miroir auxiliaire qui possède des couches minces à réflectivité sélective variable.

Il peut être déplacé latéralement pour mettre en regard de l'axe optique de la lentille 24 une portion ou une autre du miroir, afin de réaliser l'accord en fréquence. En effet, bien que le miroir M1 ne soit pas dans la cavité principale, il se constitue une cavité auxiliaire entre le miroir M'i et le miroir
M1, et les conditions de résonances privilégiées de cette cavité auxiliaire s'imposeront dans la mesure où les miroirs M1 et M2 sont moins sélectifs.

Pour réaliser les gradients d'épaisseur des couches minces du miroir, on utilisera par exemple des méthodes de dépôts dans lesquelles la vitesse de dépôt varie avec la température, et notamment avec la température du substrat qui reçoit les couches minces.

Dans le cas de la croissance épitaxiale de semiconducteurs, la vitesse de dépôt varie beaucoup avec la température du substrat et on peut donc facilement réaliser des gradients d'épaisseur et de composition tout simplement en provoquant volontairement des gradients de température dans le substrat.

Pour cela, on place par exemple le substrat sur un support 26 dont la conformation est telle que la dissipation thermique n'est pas identique en tous points du substrat.

La figure 5 donne à titre indicatif un exemple de constitution du support (qui en pratique est une plaque chauffante): la surface supérieure est par exemple en gradins concentriques ; elle est recouverte d'une couche de matériau à conductibilité thermique adaptée 28 dont l'épaisseur varie radialement. Cette disposition provoque des gradients de température radialement, et donc des variations radiales d'épaisseurs (non représentées).

Une autre réalisation est également donnée à la figure 6 le support 26 est plan sur sa surface supérieure (celle qui porte le substrat à recouvrir de couches minces), mais sa partie inférieure est un gradin, provoquant également dans le substrat des gradients de température dus à la transmission non uniforme de chaleur.

De multiples autres exemples de réalisation, avec une conformation non homogène du support 26, fournissent des gradients de température.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Laser comportant un milieu amplificateur (10), une source de pompage (12) pour exciter le milieu amplificateur, et au moins deux miroirs (M1, M2) définissant une cavité contenant le milieu amplificateur, caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs (M1) présente un pic de réflectivité sélectif à une longueur d'onde qui varie le long de la surface du miroir, et en ce que le miroir est déplaçage par rapport au milieu amplificateur de manière à permettre de placer une partie déterminée du miroir dans l'axe du faisceau laser engendré par le milieu amplificateur.

2. Laser selon la revendication i, caractérisé en ce que le miroir déplaçable est réalisé à partir de couches minces (18, 20) dont l'épaisseur et/ou l'indice optique varient le long de la surface du miroir.

3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir déplaçable est un réflecteur de Bragg, constitué par un empilement régulier d'alternances de couches minces d'indices optiques différents, les épaisseurs se répétant dans l'empilement, perpendiculairement au miroir mais variant le long de la surface du miroir.

4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir est constitué par une alternance de couches semiconductrices.

5. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que les couches semiconductrices sont des couches monocristallines déposées par épitaxie.

6. Procédé de réalisation d'un laser accordable selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que des gradients d'épaisseur et/ou d'indice optique sont obtenus en établissant volontairement des gradients de température à la surface d'un substrat (22) destiné à recevoir les couches minces formant le miroir déplaçable.

7 Procédé de réalisation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les gradients de température sont obtenus par une conformation non homogène d'un support (26) sur lequel est placé le substrat.