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Pompage par LED

Les diodes électro-luminescentes (LED) bleues (dont les inventeurs ont été récompensés par le prix Nobel de physique en Octobre 2014) transforment le monde de l'éclairage. Ce marché en rapide évolution tire les performances des LEDs vers le haut et leur coût massivement vers le bas. Il ouvre de nouvelles opportunités pour le pompage dans le visible de laser à très faible coût.

Avec le développement des diodes électroluminescentes (LEDs) émettant dans le visible, nous vivons une révolution dans le domaine des sources lumineuses. Les LEDs ont maintenant la puissance suffisante pour le pompage optique de lasers. Par rapport aux autres sources de pompage (flash ou diodes lasers), les LEDs combinent stabilité, durée de vie (50 000h!) et production de masse qui font les avantages des semi-conducteurs avec le faible coût et la robustesse qui font les qualités des lampes flash.  
Le groupe Lasers du Laboratoire Charles Fabry (LCF) s'est lancé sur la thématique du pompage par LED en 2012, anticipant l'amélioration des performances des LEDs et leur baisse de coût rapide.
Le pompage par LED avait été démontré dans les années 1960-70 puis était tombé dans l'oubli avec l'arrivée des diodes lasers. Le groupe Lasers a été le premier à revisiter le pompage par LED en 2014 [1].

Schéma du laser pompé par LED démontré en 2014.

Pour augmenter l'intensité lumineuse de pompage, le groupe Lasers propose en 2016 d'utiliser un "concentrateur de lumière" comme intermédiaire entre les LED et le cristal laser [2]. Le concentrateur est un cristal fluorescent dans le visible (Ce:YAG) avec une absorption dans le bleu. Le cristal est taillé sous la forme d'un plan, tapissé par des centaines (voire des milliers) de LEDs bleues sur les deux grandes surfaces et avec une émission par les tranches.

Schéma d'un concentrateur de lumière pour le pompage de milieu laser.

La conversion de fréquence par mécanisme d'absorption-émission alliée à la réflexion totale interne dans le Ce:YAG, permet une émission par les tranches du cristal avec une valeur d'éclairement supérieure d'un facteur 10 à 20 par rapport à l'éclairement donné par des LEDs.
L'éclairement important dans le jaune orange est un atout pour pomper des cristaux laser à spectre large comme le Cr:LiSAF, l'alexandrite (Cr:BeAl2O4) ou le saphir dopé au titane (Ti:Al2O3) qui ont tous des bandes d'absorption dans le visible. Ces cristaux sont très intéressants pour réaliser des lasers à impulsions très courtes (femtosecondes) dont l'expansion est très importante dans le domaine du traitement des matériaux ou dans le domaine médical.

Concentrateur LED

Photo d'un cristal de Ce:YAG (en jaune) pompant un cristal laser d'Alexandrite (en rouge).

Le groupe Lasers a démontré le premier effet laser dans des cristaux de saphir dopé aux ions titane [3], d'alexandrite [4] et de Cr:LiSAF [5]. Les performances obtenues dans les deux derniers cas sont comparables, voire supérieures à ce qui a déjà été obtenu en pompage par diode laser. Aujourd'hui, le groupe Lasers est le seul au monde à maitriser cette technologie, après avoir démontré sa pertinence.

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Références

[1] A.BARBET, F. BALEMBOIS, A.PAUL, JP BLANCHOT, A.L. VIOTTI, J.SABATER, F.DRUON and P GEORGES, "Revisiting of LED pumped bulk laser: first demonstration of Nd:YVO4 LED pumped laser", Optics Letters, Vol. 39, Issue 23, pp. 6731-6734 (2014)
[2] A. BARBET, A. PAUL, T. GALLINELLI, F. BALEMBOIS, J.P. BLANCHOT, S. FORGET, S. CHENAIS, F. DRUON, P. GEORGES "LED pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low cost solid-state lasers" Optica, Vol. 3, N°5, pp.465-468 (April 2016)  
[3] P. PICHON, A.BARBET, J.-P. BLANCHOT, F.DRUON, F. BALEMBOIS, P. GEORGES "Light-emitting diodes: a new paradigm for Ti:sapphire pumping" Optica, Vol 5, N°10, pp 1236-1239 (Octobre 2018)
[4] P. PICHON, A. BARBET, J.-P. BLANCHOT, F. DRUON, F. BALEMBOIS, P. GEORGES "LED-pumped Alexandrite laser oscillator and amplifier" Optics Letters, Vol 42, N°20, pp 4191-4194 (Octobre 2017)
[5] P. PICHON, F.DRUON, J.-P. BLANCHOT, F. BALEMBOIS, P. GEORGES "LED-pumped passively Q-switched Cr:LiSAF laser" Optics Letters, Vol 43, N°18, pp 4489-4492 (Septembre 2018)
[6] Adrien BARBET, François BALEMBOIS, Amandine PAUL, Jean Philippe BLANCHOT, Thomas GALINELLI, Sébastien FORGET, Sébastien CHENAIS, Frédéric DRUON, Patrick GEORGES,
" MODULE D'EMISSION LUMINEUSE A CONCENTRATION ET DISPOSITIF LASER UTILISANT UN TEL MODULE"
Date de dépot en France : 18 décembre 2015 N° de dépot 15 62823.

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