Projet ANR-12-EMMA-0040 – VECSPRESSO : Laser organique bas-coût à capsule jetable
Programme : Emergence (Emergence)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Sebastien FORGET (Laboratoire de Physique des Lasers - université Paris 13)
Partenaires : Laboratoire de Physique des Lasers; Université Paris 13 - Paris Nord
Montant : 243256.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Un laser organique à capsules jetables, accordable dans tout le spectre visible.Le projet VECSPRESSO propose de réaliser un laser permettant d'obtenir n'importe quelle couleur du spectre visible à la demande, grâce à l'utilisation de matériaux organiques solides réalisables à bas coût sous forme de capsules jetables.
les lasers organiques : vers les applications ?Les lasers organiques permettent d'obtenir une large accordabilité en longueur d'onde dans le spectre visible. Néanmoins, ils n'ont pas encore trouvé d'application industriellement viable en raison de deux défauts majeurs : ils souffrent d'une dégradation rapide sous illumination ; la source de pompage (nécessaire pour n'importe quel laser) est au mieux un autre laser dont le coût est élevé. Nous proposons de solutionner le premier point grace à un concept de laser utilisant des capsules «jetables« séparées du reste du laser, en tirant parti du coût dérisoire des materiaux organiques. On peut ainsi aborder le problème de leur dégradation sous un angle complétement nouveau, en ne cherchant pas à augmenter la durée de vie mais plutôt à mettre au point un système où le remplacement des capsules, une fois dégradées, est facile et économiquement pertinent. Le deuxième problème pourra être solutionné à terme par le pompage par diode bleue.
pompage par diode et capsules jetablesL'aspect «bas coût« potentiel de nos lasers repose sur la possibilité de les pomper avec des diodes lasers bleues, maintenant disponibles commercialement à des prix en chute suite au développement du marché du Blu-ray et de la projection laser (plusieurs Watts à 450 nm pour quelques centaines d'euros), ce qui permet d'envisager de les utiliser comme sources de pompe pour nos lasers à cavité verticale. La puissance crête de ces diodes etant beaucoup plus faible que celle des lasers solides traditionnellement utilisés comme source de pompage, un certain nombre de développements expérimentaux sont nécessaires ainsi qu'une meilleure compréhension des limitations ultimes en terme de performances atteignables. Notre structure de laser à cavité externe permet également l'utilisation comme milieu à gain de simple lames de verre sur lesquelles on dépose à la tournette une résine dopée avec un colorant organique.
Résumé de la soumission : Les sources laser sont aujourd'hui utilisées dans un grand nombre de domaines très variés, et chaque application requiert un type de laser différent. Pour les applications en biophotonique (microscopie de fluorescence, cytométrie en flux...), la spectroscopie, le diagnostic au point d'intervention ou les capteurs, il existe un besoin pour des sources laser largement accordables en longueur d'onde sur tout le domaine visible, ou mieux encore sur le spectre visible et ultraviolet du spectre. Peu de lasers sont capables de remplir cette condition d'accordabilité, surtout sur un aussi vaste domaine spectral, et ceux qui y parviennent sont des outils particulièrement coûteux (plusieurs dizaines de k€). De nombreux utilisateurs s'orientent par conséquent vers des alternatives à moindre coût mais moins adaptées et moins performantes (des lampes blanches filtrées spectralement par exemple). Dans le cadre de ce projet, nous proposons une nouvelle approche basée sur un concept innovant de laser organique, permettant d'accéder à faible coût à une source laser largement accordable et capable de potentiellement couvrir tout le spectre UV et visible (200-750 nm). Portée par le développement rapide des semi-conducteurs organiques pour les diodes électroluminescentes organiques (OLED), la recherche sur les lasers organiques s'est avérée florissante lors de la dernière décennie. Aujourd'hui, ces dispositifs "de laboratoire" cherchent à aborder le stade des applications pratiques et à franchir le cap de la valorisation. Cependant, la route d'accès au marché est encore encombrée par deux obstacles majeurs. Tout d'abord, la photo-dégradation rapide des molécules organiques sous forte excitation optique conduit à une durée de vie limitée et à une mauvaise stabilité de l'émission laser. Le deuxième défi est lié à la source de pompage, qui est dans la plupart des prototypes expérimentaux un laser solide coûteux (type Nd:YAG doublé ou triplé en fréquence).L'objectif du projet VECSPRESSO est de proposer une solution novatrice et viable à ces deux problématiques. Le projet s'appuie sur la mise au point récente par notre équipe d'une structure de laser organique baptisée VECSOL (Vertical External Cavity Surface-emitting Organic Laser), avec laquelle nous avons obtenu le rendement de conversion record de 60%, une qualité de faisceau parfaite (limitée par la diffraction), une plage d'accordabilité de 50 nm avec un seul matériau, et la plus basse longueur d'onde obtenue dans l'UV avec un laser organique à film mince (309 nm.) Le projet VECSPRESSO vise à construire, à partir de cette structure de base, un prototype de dispositif laser à faible coût: la principale innovation réside dans un changement de point de vue assez radical dans la conception des sources laser, permettant une durée de vie virtuellement infinie et un choix de longueur d'onde étendu à tout le spectre visible. L'ajout d'un module de doublement de fréquence intracavité permettra de plus d'étendre la gamme d'accordabilité jusque dans l'UV profond.L'objectif de ce projet est de réaliser une "preuve de concept" de ce nouveau système laser, qui va au-delà de la démonstration de laboratoire pour s'attaquer aux problématiques très appliquées que sont le prototypage et l'interface utilisateur. Le scénario le mieux adapté pour la stratégie de valorisation sera esquissé au cours de ce projet de 2 ans en lien étroit avec l'unité de transfert de technologie (Service des Activités Industrielles et Commerciales, SAIC) de l'Université Paris 13. Après avoir breveté le concept VECSPRESSO, la valorisation prendra la forme soit d'un transfert de technologie avec licence proposée à une société commercialisant des lasers, soit de la création d'une entreprise de type "spin-off" dans le cadre de la Maison de l'Innovation et de l'Entreprenariat de l'Université.
Résultats : Nous avons déjà démontré un laser organique solide accordable sur environ 300 nm dans le visible, utilisant les capsules jetables. Un brevet sur ce concept a été déposé et accepté. Nous avons également mis au point un étalon Fabry-Perot en polymère ultra-mince, autosupporté, permettant l'accordabilité en longueur d'onde.
Un partenariat avec la Filière Innovation Entrepreneurs de l'institut d'optique a été créé afin d'étudier le potentiel de valorisation et les applications de notre système.
Perspectives : Le principe du système est démontré. Il reste à développer l'aspect technologique via la mise au point d'un prototype : automatisation des déplacements, mesure en temps réel du spectre, interface utilisateur conviviale etc. Au niveau recherche, le pompage par diode d'une architecture de laser organique en cavité verticale externe reste à démontrer, et constitue la prochaine étape du projet. De nouvelles perspectives peuvent également se trouver du côté du mode de fabrication des capsules.
Publications et brevets : Publication : O.Mhibik, T.Leang, A.Siove, S.Forget, S.Chenais
«Broadly tunable (440-670 nm) solid-state organic laser with disposable capsules«
Appl. Phys.Lett., 102, 041112 (2013)
Brevet :  S. Forget, S. Chénais, Université Paris 13/CNRS, déposé à l’INPI le 18 juin 2012 sous le numéro 12 55660.