Brevet FR2175954A1 — publié le 19731026

L'invention concerne un oscillateur laser comportant un milieu actif constitué par un matériau support et un matériau dopant, et un dispositif pour produire une inversion de population. On connaît des oscillateurs lasers dont le milieu actif est constitué par un matériau dopant. le matériau support est constitué en général par un matériau diélectrique. La demande de brevet allemand mise à l'inspection publique sous le nO 1 295 109 décrit un milieu solide stimulable qui est constitué par un verre organique ou non organique à l'état vitreux non cristallin et par des activateurs faisant partie du groupe des terres rares. Le matériau actif peut entre constitué par exemple par une fibre en verre de couronne au baryum dopé au néodyme. L'émission stimulée est obtenue par l'intermédiaire d'un pompage optique à l'aide d'une lampe à décharge dans un gaz, avec une teneur en néodyme comprise entre 0,1 et O% en poids. Comme matériau support on utilise des verres qui ne sont ni absorbants ni dispersants pour les longueurs d'ondes qui excitent les ions utilisés.Cependant, étant donné que les verres ne présentent qu'unie faible absorption pour les longueurs d'ondes du faisceau de pompage, un volume relativement important de matériau actif est nécessaire. En outre, le rendement des oscillateurs lasers dans lesquels le milieu actif est constitué par des verres dopés, est faible. Ceci est aussi valable pour tous les autres matériaux diélectriques utilisés comme matériaux actifs. La présente invention se propose de réaliser un oscillateur laser comportant un milieu actif possédant un rendement important pour des dimensions très faibles. Ce problème est résolu suivant l'invention par le fait que le matériau support est constitué par un matériau semiconducteur mono-ou polycristallin, en particulier un composé semiconducteur du type AIII nu tels que l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium ou l'antimoniure de zinc, et que le matériau dopant est constitué par au moins un élément du groupe des terres rares ou des actimides, en particulier par du néodyme trivalent. Le matériau laser suivant l'invention se différencie fondamentalement des lasers à semiconducteur connus dans lesquels on inverse la population du système semiconducteur en tant que microsystème unitaire.Par contre, dans le matériau utilisé suivant l'invention, on inverse la population du microsystème du matériau dopant presqu isolé du point de vue optique et le macro système du semiconducteur sert à une meilleure conversion d'énergie en transmettant l'énergie. Ces semiconducteurs présentent une absorption si importante pour la lumière qu'une absorption totale apparat déåà dans une couche possédant une épaisseur de quelques longueurs d'ondes. Ceci conduit à une densité d'inversion importante. Par suite de la densité d'inversion importante, on peut utiliser le matériau semiconducteur dopé dans des oscillateurs lasers ou des amplificateurs, sous forme d'une couche très mince sur un corps support, la longueur du matériau semiconducteur pouvant titre maintenue très faible par suite de l'amplification importante pour chaque traversée. Ce matériau est irradié à l'aide d'une lumière dont la longueur d'onde est comprise dans un domaine qui fait passer les électrons du matériau semiconducteur du niveau fondamental à un niveau d'énergie excité ; une augmentation ultérieure de la densité d'inversion apparaît par suite des transitions directes entre ce niveau et un niveau excité du matériau dopant. Les transitions des électrons entre ce niveau et la bande de valence du semiconducteur conduisent finalement à une émission lumineuse possédant une intensité très importante. Les oscillateurs lasers ainsi que les amplificateurs réalisés avec ce matériau semiconducteur sont utilisés de façon avantageuse comme composants dans un circuit électrique réalisé sur un corps-support suivant la technique des circuits intégrés. Le pompage optique peut etre réalisé à l'aide d'une source lumineuse fournissant une lumière non cohérente ou une source de lumière laser. Une variante du dopage apparat du fait que le matériau semiconducteur contient, en plus des activateurs, d'autres éléments dopants qui, lors d'une interaction mutuelle très importante, suppriment la fluorescence du matériau semiconducteur et la transmet aux activateurs en tant qu'énergie d'excitation. Dans une autre forme de réalisation, l'énergie de pompage est fournie au matériau semiconducteur de façon électrique soit dans un cristal unitaire massif soit dans une jonction pn. On obtient aussi dans ce cas une densité d'inversion extrêmement élevée. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante, illustrée à l'aide du dessin annexé dans lequel les figures 1 et 2 représentent schématiquement les bandes d'énergie dans les matériaux utilisés suivant l'invention. La figure 1 représente un processus de pompage optique et d'émission dans un oscillateur laser dont le matériau support est constitué par de l'antimoniure de zinc et dont le matériau dopant est constitué par du néodyme et de l'ytterbium. Dans la bande d'énergie entre-la bande de valence 1 et la bande de conductio 2 du semiconducteur constitué par de l'antimoniure de zinc, il existe un niveau d'énergie excité 3 correspondant à l'ytterbium et un niveau d'énergie 4 correspaq- dant au néodyme. Le corps semiconducteur dopé est irradié avec une- lumière possédant une longueur d'onde qui fait passer un électron de la bande de valence 1 à la bande de conduction 2, suivant la flèche 5. A partir de là ltéleetron retombe au niveau d'énergie 3 de l'ytterbium et de nouveau au niveau d'énergie 4 du néodyme, les énergies libérées par ces phénomènes sont transmises au matériau semiconducteur sous la forme de photons. Enfin, un photon 6 est émis lors du passage de 1'électron du niveau d'énergie 4 dans la bande de valence 1. Etant donné qu'il n'existe aucun autre niveau d'énergie stable entre le niveau d'énergie 4 et la bande de valence 1, et que l'épaisseur du corps semiconducteur sous forme de couche est de l'ordre du micron, il suffit d'une faible conversion en chaleur pour que de tels photons sortent du matériau. La figure 2 représente la bande d'énergie d'un oscillateur laser pompé électriquement. Son milieu actif est constitué par une couche de 5 p d'épaisseur d'arséniure de gallium qui est dopé d'un côté avec du sélénium (conductivité de type n) et de l'autre côté avec du cadmium (conductivité de type p) et du néodyme. Le dopage avec le sélénium amène le niveau de Fermi 7 Ie la zone n dans la blonde de conduction 8 du semiconducteur, et le dopage avec du cadmium amène le niveau de Fermi 9 de la zone p dans la bande de valence 10 du semiconducteur. Une inversion de population des électrons est créée par injection c électrons provenant de la bande de conduction de la zone n, dans la bande de conduction de la zone p. Un des électrons se trouvant maintenant dans la bande de conduction 8 passe de nouveau, avec délivrance d'un photon au matériau semiconducteur, au niveau d'énergie 12 du néodyme et se recombine avec un trou dans la bande de valence 10 avec émission d'un photon 13 possédant une longueur d'onde appartenant au domaine des infrarouges. Dans les deux formes de réalisation dcri- tes, le rendement est voisin de 10 à la température ambiante et voisin de 30 à 770K. RVENDI CATT ONS I. Oscillateur laser comportant un milieu actif constitué par un matériau support solide et un matériau dopant et un dispositif pour créer une inversion de population, caractérisé par le fait que le matériau support est constitué par un semiconducteur mono- ou polycristallin, en particulier un composé semiconducteur du type AI ys et que le matériau dopant est constitué Far au moins un élément du groupe des terres rares ou des actinides. 2. Oscillateur laser suivant la revendication I, caractérisé par le fait que le composé semiconducteur du type AIIIBV est de l'arséniure de gallium, du phosphure de gallium ou de l'antimoniure de zinc. 3. Oscillateur laser suivant les revendications I et 2 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le matériau dopant est du néodyme trivalent. 4. Oscillateur laser suivant les revendications I à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que lorsque le matériau support est dopé avec plus d'un élément, un élément sert d'activateur et que le(s) élément(s) possède(nt) des configurations de niveaux d'énergie telles que la fluorescence du matériau support est supprimée par intéraction avec ces éléments. 5. Oscillateur laser suivant les revendications I à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le dispositif pour créer une inversion de population est constitué par une source lumineuse. 6. Oscillateur laser suivant les revendications I à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le dispositif pour créer une inversion de population est constitué par une source de courant électrique qui est raccordée par l'intermédiaire d'une jonction pn. 7. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications I à 6 - caractérisé par le fait que le matériau support contenant le matériau dopant, le dispositif pour créer une inversion de population et les unités d'alimentation en courant associées ainsi que les conducteurs de courant sont assemblés, suivant la technique des circuits intégrés, sur un corps de support.