Brevet FR2305043A1 — publié le 19761015

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'excitation électrique de lasers à colorants. L'un des moyens connus et les plus usuels d'obtenir l'excitation d'un laser consiste à transformer de l'énergie électrique en lumière. Dans ce cas l'energie amenée de l'exté- rieur à la matière constitutive du laser est utilisée pour l'excitation, c'est-à-dire pour l'obtention d'une inversion de populations d'atomes (molécules) de la matière constitutive du laser. L'énergie accumulée par les atomes(molcules) est restituée par ceux-ci sous forme de ruanta de lumière ou photons d'énergie caractéristique. Il est connu que des lasers à colorants, c'est-à-dire des lasers dont la matière active est constituée par des solutions liquides de colorants organiques, peuvent être excités au moyen de lampes éclair ou de lasers. Dans ces deux procédés d'excitation de l'énergie électrique est cans un prerrier temps transformée en lumière et celle-ci est dans un deuxième temps mise à profit, par l'utilisation de dispositifs optiques appropriés, pour obtenir l'inversion de populations des molécules de colorant. Les procédez d'excitation cités sont laborieux et coûteux et n'offrent qu'une faible efficacité. L'inconvRnient essentiel de ces procédés d'excitation consiste dans l'utilisation du pompage optique, c'est-à-dire dans le fait qu'il faut utiliser un laser de pompage (d'excitation) ou une lampe éclair. Un autre inconvgnient réside en ce que pour recevoir la solution de colo Pant liquide il faut prévoir des cuves qui ne permettent pas de réaliser les lasers sous une forme miniaturisée. Il est en outre connu des lasers à diodes semi-conductrices dont l'excitation est obtenue en transformant de l'nergie électriques directement en lumière. Ces lasers se distinguent par un faible prix de revient, une efficasité satisfaisante et un volume de const-uction suffisamment faible pour leur permettre d'être utilisés dans l'optique intégrée. Ce type de lasers a pour inconvnients de prosenter de mauvaises propriétés spectrales et de cohérence ainsi qu'une plage de réglage limite. Il est en outre connu des llsers å colorants à pompage par laser dans lesquels les colorants sont noyés dans de minces couches de matière synthétique. La nrÇsente invention a pour objet de permettre, grâce à une miniaturisation de ces sources de lumière, de rendre les la -sers à colorants utilisables dans le domaine de l'optique inté cre. Il s'agit suivant la prsente invention de permettre au pompage optique de lasers à colorants d'être réalisé non pas au moyen d'autres lasers ou lampes éclair mais par une excitation électrique directe. tuant au procédé prévu suivant l'invention, l'excitation électrique directe d'un laser à colorants est obtenue par injection de porteurs de charge dans une pellicule de matière polymère, par accélération des porteurs de charge au moyen d'une tension appliquée à des électrodes recouvrant partiellement la pellicule cie matière polymère et par dispersion inélastique des porteurs de charge sur les molécules d'un ou plusieurs colorants emprisonnées en tant que centres d'impuretés dans la pellicule de matière polymère. L'énergie nécessaire å l'excitation des molécules de colorant est déterminée par la fonction de répartition d'énergie électroniaue qui dépend à son tour de la position des molécules du polymère par rapport aux lignes de champ électrique. Lorsque le champ 'électrique est parallèle à l'axe longitudinal des molécules du polymère, alors les électrons injectés peuvent absorber une quantité maximale d'énergie cinématique. La dispersion inélastique des électrons sur les molécules de colorant formant centres d'impuretés conduit à leur excitation et à l'émission subséquente du rayonnement caractéristique du colorant concerné. Par un choix approprié des paramètres de décharge et de l'orientation des molécules du polymère la répartition de l'énergie clectronique est réglée de telle sorte que son nlaximum se situe au voisinage 4e l'énergie d'excitation de singulets des molécules de colorant et qu'il existe en même temps la possibilité d'exciter une molécule formant donneur emprisonnée additionnellement dans la pellicule de polymère de façon à permettre subséquemment un transfert d'énergie, sans rayonnement, aux molécules de colorant. La densité de courant électronique est un indice de l'amplification pouvant être obtenue et consti tu onc, conjolnterent avec une structure de réseau Bragg agissant en tant que structure de couplage réactif, un facteur déterminant pour l'obtention du seuil d'oscillation laser. L'accordabilité du rayonnement obtenu à l'intérieur d'un large intervalle spectral est obtenue par des combinaisons de colorants approprié et par un choix correspondant de la répartition d'énergie électronique. Un réglage précis peut être réalisé au moyen de la structure de réseau Bragg utilisée en tant que résonateur laser et par le choix de la géométrie d'excitation. L'injection des porteurs de charge se réalise par émission de champ, les électrodes excitatrices placées les unes à la suite des autres dans la direction d'étalement de la lumière (excitation électrique transversale) étant adaptées électriquement de manière appropriée, y compris les lignes d'amenée, et étant portées, à l'aide d'une excitation par ondes progressives, à la tension requise. Les contre-électrodes sont disposées perpendiculairement aux électrodes excitatrices. Suivant la présente invention le dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé et comprenant une pellicule de polymère dopé appliquée sur une plaque de base et limitée par une plaque de recouvrement est obtenu en mettant en place sur chacune des faces des plaques de base et de recouvrement limitant la pellicule de polymère un système d'électrodes métalliques en forme de bandes parallèles équidistantes, le système d'électrodes excitatrices sur la plaque de base et le système de contre-électrodes sur la plaque de recouvrenent étant disposés perpendiculairement l'un à l'autre. Afin de réaliser une excitation par ondes p-ozressives les électrodes excitatrices sont soumises à une tension telle que les décharges indivWduelles se succèdent à des intervalles correspondant au temps mis par un photon dans la pellicule de polymère à passer d'une électrode à la suivante. Ce mode d'excitation permet d'influer sur la longueur de l'impulsion laser émise, sur sa position spectrale ainsi que sur l'énergie transportée par l'impulsion. Les contre-électrodes sur la plaque de recouvrement sont isolées les unes par rapport aux autres et sont à relier in -dividuellement et sélectivement à la masse. La présente invention permet d'allier les possibilités de lasers à colorants classiques et l'avantage a'une excitation électro directe. Le laser à colorant a couche mince excité directenienD ar voie électrique est susceptible d'un réglage spectral et fonctionne à la température ambiante. Grâce a son rendement amélioré et à son volume de construction réduit, il peut être utilisé en tant qu'élément de base d'un système de transmission d'information intégré. Le fluide utilisé comme milieu de l'effet laser peut être choisi parmi les colorants connus jusqu'à présent dans le domaine des lasers. 'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation du dispositif proposé. La figure unique est une coupe partielle du dispositif suivant l'invention. Des bandes métalliaues 2 sont mises en place en tant qu'électrodes excitatrices parallèlement les unes aux autres à des intervalles rég;liers sur la plaque de base 1 par un procédé connu. La distance entre les bandes successives ne doit pas être inférieure a 20 microns. La hauteur et la largeur des bandes doit également être au moins de 20 microns. Les électrodes métalliques son connectées par l'intermédiaire d'un réseau à retard au pôle positif d'une source de tension. Sur la plaque de base est appli quée la pellicule de polymère dopé 3. Cette dernière est limitée par la plaque de recouvrement 4.Sur la face de la plaque de recouvrement limitant la pellicule de polymère sont aménagées des contre-électrodes 5 identiques aux électrodes excitatrices disposes perpendiculairement à celles-ci. Chacune de ces contreélectrodes doit présenter une connexion isolée la reliant à la masse de telle sorte que chaque électrode puisse être reliée indi -viduellement et sélectivement à la masse. Ci-dessous soht rassemblés des paramètres significatifs du dispositif suivant l'invention Epaisseur de la pellicule de polymère : > 1 micron Concentration de colorant : > 10-4 moles /1 Section d'excitation électronique : ~ 10-17cm2 Intensité du champ d'excitation: > 5 o 106 V/cm Densité de courant de seuil laser : 2 3000 A/cm Rendement en quanta d'électroluminescence : 6 . Coefficient de perte de rayonnement : ~ 0,1 acteur de réflexion du réseau de réflrnxion Bragg : 0,9 à 0,95 Largeur de bannie de gain : 1,0 nm au niveau du maximum de la bande de fluorescence. REVENDICATI0NS 1 - Procédé pour l'excitation électrique de lasers à colorants, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter des porteurs de charge dans une pellicule de matière polymère, à accélérer les porteurs de charge au moyen d'une tension appliquée à des électrodes qui recouvrent partiellement la pellicule de matière polymère et à disperser inélastiquement les porteurs de charge sur les molécules d'un ou plusieurs colorants emprisonnes en tant ue centres d'impuretés dans la pellicule de polymère. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation électrique se réalise transversalement à l'in jection des porteurs de charge. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et caractérisé en ce que l'excitation est produite par des ondes progressives. 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, comprenant une pellicule de polymère dopé appliquée sur une plaque de base et limitée par une plaque de recouvrement, caractérisé en ce que sur les faces des plaques de base et de recouvrement limitant la pellicule de polymère est aménagé un système d'électrodes métalliques parallèles et équidistantes en forme de bandes, le système d'électrodes excitatrices aménagé sur la plaque de base et le système de contre-électrodes aménagé sur la plique de recouvrement étant disposés perpendiculairement l'un à l'autre. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes excitatrices sont soumises à une tension de telle sorte que les décharges individuelles se produisent à des intervalles de temps correspondant au temps mis par un photon dans la nellicule de polymère à passer d'une électrode à la suivante. 6 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisss en ce qu'il comprend une connexion isolée individuelle pour chacune des contre-électnodes de façon à permettre à celles-ci d'être reliées sélectivement à la masse.