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

Des applications telles que l’analyse chimique par spectroscopie ou la détection et l’identification de molécules biologiques nécessitent l’utilisation de lasers accordables, dont on peut changer et choisir précisément la longueur d’onde émise. Pour ce type de laser, on ne dispose pas encore dans le spectre visible de dispositif compact, simple et à très faible coût comme cela est le cas des lasers à semiconducteurs utilisés dans les communications optiques. Une piste prometteuse consiste à utiliser comme milieu actif les mêmes molécules que dans les traditionnels lasers à colorant, en les incluant non plus dans un liquide circulant dans le laser, mais dans un film mince déposé sur un substrat. Des physiciens du Laboratoire de Physique des Lasers (Université Paris 13/CNRS) viennent de démontrer un rendement de conversion optique-optique record (43%) pour un laser visible reposant sur ce principe. En offrant une qualité de faisceau bien meilleure que la plupart des lasers organiques solides, cette réalisation est un important pas en avant vers les applications pratiques.

Pour réaliser ce nouveau laser, les physiciens du laboratoire de Physique des lasers ont effectué plusieurs choix déterminants. Tout d’abord, le milieu actif amplificateur de lumière, élément essentiel au cœur de tout laser, est constitué d’un film organique épais de 17 micromètres, ce qui correspond à une épaisseur plus importante que dans les lasers analogues réalisés jusqu’à présent. Le second élément déterminant est le résonateur optique, constitué de deux miroirs se faisant face de part et d’autre du milieu amplificateur. A chacun de ses aller-retour entre ces miroirs, la lumière est amplifiée par le milieu actif et se mue en un faisceau très intense. 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).

VECSOL émettant autour de 660 nm (Rhodamine 640) sous pompage vert (532 nm) à 10 Hz - © S. Forget (LPL)

Il restait à choisir le mode d’apport de l’énergie. Dans cette première démonstration de principe, c’est un autre laser qui fournit les impulsions lumineuses nécessaires à l’excitation du matériau. Ces impulsions ont été choisies intenses (10 fois au dessus de l’intensité de saturation) et longues (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. Cette nouvelle configuration a conduit à un rendement de 43% et surtout à un faisceau de qualité optique parfaite, dont la divergence est égale à la limite théorique imposée par la diffraction.