La Cavité Optique

Les lasers CO2 peuvent être créés avec deux types de cavité:

• Cavité stable (puissance < 100 Watts)

• Cavité instable (puissance > 100 Watts)

Cavité stable:

Le milieu amplificateur est placé entre deux miroirs qui forment un Pérot-Fabry confocal, pour plus de stabilité:

Plusieurs modes existent à l'intérieur de la cavité. Ces modes proviennent de l'existence d'ondes stationnaires à l'intérieur de la cavité. Chaque mode a une fréquence différente. Ce sont les modes qui seront à l'intérieur de la courbe de gain qui vont générer le laser. Le nombre de modes longitudinaux (par rapport à l'axe de propagation de la lumière -axe optique-) que l'on retrouve typiquement dans un laser CO2 est cinq:

Figure 7:modes longitudinaux dans la cavité

La fréquence du mode q est déterminée par :

Il y a toutefois des pertes dans la cavité qui sont dues aux réflexions imparfaites des miroirs, à leur absorption et à la diffusion. Ainsi, pour qu'un mode apparaîsse dans le laser, le mode doit avoir un gain supérieur aux pertes de la cavité. Le niveau de seuil détermine le niveau de pertes à compenser.

L'intervalle spectral libre, c'est-à-dire l'espacement entre deux modes d'un laser CO2 est typiquement, à haute pression:

Cependant, les microcavités d'aujourd'hui procurent des intervalles spectraux beaucoup plus grands.

La cavité stable est utilisée principalement pour les lasers CO2 continus à basse pression. Ces lasers sont moins puissants que les lasers pulsés. La cavité perd de la lumière de façon continue.

Cavité instable:

Le milieu amplificateur est également placé entre deux miroirs mais, la lumière ne fait que quelques aller-retours dans la cavité:

On utilise deux miroirs courbes et confocales pour réaliser la cavité. La lumière s'échappe d'un côté car le miroir est plus petit. Pour un aller-retour, on peut calculer la fraction de lumière qui demeure dans la cavité:

Figure 8: Schéma de la forme d'une cavité instable

Ainsi la fraction qui est transmise est donc:

La cavité instable est utilisée pour les lasers pulsés à haute pression.

Cavités et puissances:

Les deux types de cavité peuvent être employés pour réaliser un laser mais pourquoi utilise-t-on plus l'une que l'autre?

Il faut considérer la puissance en jeu et le nombre de Fresnel qui est défini par:

(avec a₁ = a₂ = a) et qui nous renseigne sur le nombre de modes différents qui sont plus ou moins libres d'osciller dans la cavité. Distinguons deux cas:

Nombre de Fresnel élevé: Il y aura beaucoup de modes transverses d'ordre élevé dans la cavité.

• Dans une cavité stable, il faudra beaucoup de modes pour transmettre une bonne partie de la puissance, car cette dernière est répartie dans tous les modes. De plus, la largeur spectrale de l'émission laser en sera d'autant plus grande que le nombre de modes sera élevé.

• Dans une cavité instable, même si le nombre de Fresnel est élevé, il y aura un mode qui prédominera : celui qui a la plus faible perte par aller-retour (G le plus grand). Ce mode emplira la cavité et agira comme un discriminant envers les modes d'ordres élevés. Ce sont généralement les modes d'ordres inférieurs qui ont le moins de pertes.

On s'aperçoit qu'il est avantageux d'utiliser des cavités instables pour des lasers qui ont un nombre de Fresnel élevé, typiquement N_F > 5.

Gestion de la puissance: Les lasers peuvent avoir différentes puissances. Toutefois il apparaîtra des problèmes de dissipation de la chaleur avec les lasers à haute puissance. La lumière contenue dans la cavité est faiblement absorbé et le miroir chauffe et peut se déformer.

• Dans les cavités stables, les modes sont fortement dépendant de la taille de la cavité et une faible variation de la longueur peut entraîner un déplacement prononcé des modes. Il est ainsi difficile d'élaborer un bon système de refroidissement des miroirs qui ne causera pas des contractions/dilatations thermiques de la cavité.

• Les cavités instables sont beaucoup moins dépendantes envers la dilatation des longueurs et sont plus facilement refroidissables. La cavité est le plus souvent refroidie avec un système de pompage à eau.

Ainsi pour des lasers dont la puissance est supérieure à 1kW/cm², il est préférable d'utiliser des cavités instables. Il est également plus aisé d'utiliser des cavités instables avec des lasers pulsés.