Un laser numérique

Dans tout laser (cf  5 mai 2011 Le laser a plus de cinquante ans), on trouve  un milieu dit « actif » placé à l’intérieur d’une cavité optique résonnante. Pour contrôler  les caractéristiques spatiales du faisceau émergent, on utilise généralement des dispositifs intra cavité, comme des diaphragmes ou des éléments d’optique. Ces pièces d’optiques, optimisées pour un fournir un mode spatial donné, sont fixes et l’on ne peut changer de mode de fonctionnement. Des dispositifs optiques extérieurs existent aussi pour des formes de faisceau bien particulières, mais ils nécessitent un réglage délicat. Des chercheurs de l’University of KwaZulu–Natal, Durban, et du Council for Scientific and Industrial Research, Pretoria, South Africa ont, sous la direction du professeur Andrew Forbes, réalisé le premier laser numérique permettant de changer à volonté de mode. Un modulateur spatial de lumière (MSL) remplace un des miroirs de la cavité. Selon l’image holographique injectée par ordinateur sur le MSL, on obtient la forme de faisceau désirée.

 

 Fig.1. En modulant phase et amplitude du modulateur spatial de lumière (images du bas), on obtient des faisceaux laser dont l’image de la section transverse à la caméra CCD est représentée sur la ligne d'images du haut. Les fausses couleurs utilisées ici représentent les amplitudes de la lumière laser selon l’échelle placée à droite des images. Crédit Nature Communications.

Fig.1. En modulant phase et amplitude du modulateur
spatial de lumière (images du bas), on obtient des faisceaux
laser dont l’image de la section transverse à la caméra CCD est
représentée sur la ligne du haut. Les fausses couleurs utilisées ici
représentent les amplitudes de la lumière laser selon l’échelle placée à droite des images. Crédit Nature Communications.

La configuration spatiale d’un faisceau laser, c’est-à dire, la distribution d’intensité dans une section transverse du faisceau est fixée par le « mode » de résonance de la cavité constituée par deux miroirs. Si on fait varier les caractéristiques géométriques de la cavité et les dispositifs qu’elle peut contenir, on obtient de nombreux modes différents. Les lasers commerciaux ont normalement un seul mode pour lequel leur fonctionnement est optimisé.

On a perfectionné depuis quelques dizaines d’années les dispositifs destinés à modifier la section transverse d’un faisceau laser en les rendant extérieurs à la cavité. Mais ces systèmes rendent l’instrument très long et, de toute façon, ils ne permettent pas de choisir à la demande un  mode quelconque d’un laser.

La cavité laser choisie par les chercheurs est un résonateur conventionnel  en L avec un cristal de Nd-YAG comme milieu amplificateur. Mais ils ont remplacé le miroir arrière du laser par un modulateur spatial de lumière travaillant en réflexion et agissant sur la phase de la lumière réfléchie. Ce MSL permet de simuler un miroir de courbure quelconque mais aussi d’agir  finement sur la propagation de la lumière à l’intérieur de la cavité.

Un modulateur spatial de lumière, MSL, (en anglais SLM pour spatial light modulator) est un dispositif travaillant en transmission ou en réflexion qui permet de moduler spatialement amplitude et/ou phase d’un faisceau lumineux. Les MSL peuvent être programmés pour produire des faisceaux lumineux de différentes configurations en prenant la place d’éléments optiques conventionnels.

 

Fig.2. Schéma du laser numérique. La cavité optique du laser est matérialisée par le miroir de sortie et le modulateur spatial de lumière piloté par ordinateur. Crédit Nature communications.

Fig.2. Schéma du laser numérique. La cavité optique du laser est
matérialisée par le miroir de sortie et le modulateur spatial de
lumière piloté par ordinateur. Crédit Nature communications.

 

Nd-YAG (acronyme de l’anglais neodynium yttrium aluminium garnet) désigne un composé cristallin, le grenat d’yttrium-aluminium dopé au néodyme, qui constitue le milieu amplificateur des lasers de même nom.

Une diode laser à haute puissance “pompe” les atomes du cristal de Nd-YAG  dans des états d’énergie de niveau élevé . En transitant vers des niveaux d’énergie plus basse, ils émettent la lumière laser. La diode laser  est couplée à la cavité  à travers un miroir dichroïque incliné à 45°qui transmet bien sa longueur d’onde (808 nm) et réfléchit  fortement la longueur d’onde du laser proprement dit (1064 nm). La cavité en L ainsi obtenue permet d’éviter toute interaction entre le faisceau laser haute puissance de la diode et le  modulateur spatial de lumière, ce qui pourrait endommager ce dernier.

On verra ci-dessous, figure 3, une photographie du montage expérimental.

Fig.3. Montage expérimental. Le modulateur spatial de lumière, MSL, Constitue, avec le miroir de sortie, la cavité optique du laser dont le cristal de Nd-YAG est le milieu amplificateur. L’énergie provient de la diode laser haute puissance qui « pompe » les atomes du Nd-YAG dans des niveaux d’énergie élevés. En transitant vers des niveaux inférieurs en énergie, ils émettront la lumière laser. Crédit Nature communications.

Fig.3. Montage expérimental. Le modulateur spatial de lumière, MSL,
Constitue, avec le miroir de sortie, la cavité optique du laser dont le cristal de Nd-YAG est le milieu amplificateur. L’énergie provient de la diode laser haute puissance qui « pompe » les atomes du Nd-YAG dans des niveaux d’énergie élevés. En transitant vers des niveaux inférieurs en énergie, ils émettront la lumière laser. Crédit Nature communications.

 

Le modulateur spatial de lumière utilisé est disponible dans le commerce. Il remplace le miroir arrière du laser.  Il est constitué d’une couche de cristaux liquides placée sur un support en silicium équipé de circuits électroniques qui contrôlent les champs électriques appliqués aux cristaux liquides. C’est un modulateur de phase, c’est-à-dire qu’il peut introduire un retard ou une avance sur la propagation de tout signal lumineux  lui parvenant. Ceci permet de simuler toute géométrie de cavité optique. Il fonctionne en réflexion et est facilement commandé par ordinateur.

 

La vidéo suivante présente un grand nombre de configurations du faisceau laser obtenues avec ce dispositif en les faisant défiler à l’ordinateur.

Dans l’insert en haut à droite est indiquée l’image en échelle de gris des signaux appliqués au modulateur spatial de lumière pour chaque section transverse du faisceau laser présentée. L’échelle de fausses couleurs utilisée est identique à celle de la figure 1. Crédit Nature communications.

 

Le modulateur spatial de lumière réflecteur modulé en phase permet d’obtenir un miroir que l’on peut modifier numériquement facilement tant en amplitude qu’en phase. On peut ainsi contrôler facilement le mode du laser et passer d’un mode spatial à l’autre de la cavité d’un laser à l’état solide qui, sinon, n’en aurait qu’un seul. On obtient ainsi un laser à mode “à la demande”

Parmi les applications envisagées, on peut citer les « pinces optiques » qui permettent de manipuler de minuscules objets  sous microscope et toutes celles où  on peut avoir besoin de faisceau de lumière avec une structure particulière. Il peut être aussi très utile pour tester les cavités optiques de lasers en conception ou en fabrication.

 

Pour en savoir plus :

The digital laser,  Sandile Ngcobo, Igor Litvin, Liesl Burger and Andrew Forbes
DOI: arXiv:1301.4760

A digital laser for on-demand laser modes,  Sandile Ngcobo, Igor Litvin, Liesl Burger & Andrew Forbes
Nature communications doi:10.1038/ncomms3289