MEMOIRE DE DIPLOME D’ETUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE ATOMIQUE ET NUCLEAIRE

Emission et absorption de la lumière par les systèmes atomiques

Le LASER est l’acronyme de mots anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Le principe de fonctionnement des lasers est basé sur la théorie de l’émission et de l’absorption de la lumière par les systèmes atomiques formulée par Albert EINSTEIN en 1917. Dans l ’émission et l’absorption de la lumière par la matière on peut distinguer trois processus.

Emission spontanée

Dans les systèmes atomiques, les états électroniques excités ne sont pas stables. Plus ou moins vite, les électrons excités retombent dans un état de moindre excitation en émettant des photons. C’est l’émission spontanée. Au cours de ce processus, la durée de vie des électrons à l’état excité est de l’ordre de 1 à 100 nanosecondes [12]. L’émission spontanée est un processus incohérent car les photons résultants n’ont aucune relation de phase. En plus c’est un processus purement aléatoire. 

Absorption

Lorsqu’un atome est soumis à une onde lumineuse, il peut absorber un photon. L’atome initialement dans un état d’énergie E1, passe alors dans un état d’énergie supérieure E2. Pour un atome initialement immobile, ce processus d’absorption est d’autant plus efficace que l’énergie hν du photon incident est proche de l’écart d’énergie E2 – E1 entre les deux niveaux d’énergie de l’atome[1, 12]. Sur la figure I.2 sont représentés les diagrammes de l’émission spontanée et de l’absorption. Figure I.1. Emission spontanée et absorption de photons I. 

Emission stimulée ou induite

Ce processus qui a été formulé par EINSTEIN pour la première fois est connu sous le nom d’émission stimulée ou émission induite. Dans ce processus sous l’action d’un photon incident d’énergie hv = E2 – E1 un atome excité à un niveau d’énergie E2 passe au niveau d’énergie E1 en émettant deux photons ayant les mêmes caractéristiques : même énergie, – 12 – même direction et même phase. C’est l’émission stimulée et elle a lieu avec une amplification de l’émission photonique : à partir de n photons, on obtient 2n photons. L’émission stimulée est un processus cohérent, les photons émis ayant les mêmes phases. Dans les conditions normales le processus de l’émission spontanée est prédominant sur celui de l’émission induite et à l’équilibre thermodynamique le nombre d’électrons N1 (appelé population du niveau E1 ) se trouvant à l’état d’énergie E1 est toujours supérieur au nombre d’électrons N2 (population du niveau E2) se trouvant à l’état d’énergie E2 . D’une manière générale, à l’équilibre thermodynamique l’absorption est équilibrée par l’émission spontanée et l’émission induite. Dans ce chapitre nous présentons dans un premier temps quelques notions sur les diodes lasers pour permettre dans la suite de mieux comprendre certains termes qui seront abordées dans ce travail.

Généralités sur Les diodes lasers

Les diodes lasers sont des types particuliers de connexion de matériaux semiconducteurs ayant des propriétés identiques aux lasers classiques. La lumière laser est générée en injectant un courant à travers la région active de la diode au niveau des jonctions. Pour obtenir un bon gain laser, il faut confiner les porteurs et le rayonnement dans la région active. Les diodes lasers sont des sources de lumières hautement monochromatiques et accordables ( possibilité de faire varier la longueur d’onde en faisant varier la température ) avec de très faibles fluctuations d’amplitudes. les diodes lasers peuvent fonctionner en monomode ou en multimodes. II. 2. Types de diodes lasers On distingue deux types de diodes lasers :les diodes lasers à homojonction et les diodes lasers à hétérojontion. Les diodes lasers à homojonction consiste à la mise en contacte de deux semi-conducteurs de même composition (mêmes matériaux de base) avec des types de dopage différent. Les diodes lasers à hétérojonction sont des types de jonction de deux semi-conducteurs constituées de matériaux de base différents. L’hétérojonction permet de mieux confiner le déplacement des électrons dans la zone utile du milieu actif, elle permet aussi de confiner les photons dans cette même zone et le guidage optique du faisceau utile. Encore appelées diodes lasers à hétérostructure, on distingue : la diode laser à hétérostructure unilatérale et les diodes à hétérostructure bilatérale. 

Hétérostructure unilatérale

Les diodes lasers à hétérostructure unilatérale sont réalisées à partir de la jonction de deux semi-conducteurs de natures différentes. On désigne par isotype la jonction de deux semi-conducteurs ayant le même type de dopage (figure II.1) et par hétérotype la jonction de deux semi-conducteurs de type de dopages différents (figure II.2) [11,16 ]. (a) (b) Figure II. 1. Hétérojonction isotype P-p : (a) P et p séparés, (b) jonction entre P et p (a) (b) Figure II. 2. Hétérojonction hétérotype P-n ; (a) P et n séparés, (b) P-n joints. 

 Hétérostructure bilatérale 

La hétérostructure bilatérale est la mise en jonction de deux semi-conducteurs ternaires de type de dopages différents entre lesquels on a incorporé un composé binaire comportant une couche active de largeur de bande interdite inférieure à celle des deux premiers composés (figure II.3.a). Ces semi-conducteurs sont donc de nature différente et ne possèdent pas les mêmes indices de réfractions.  Ce type de composé améliore les performances de la diode laser avec la possibilité d’obtenir une couche active très mince permettant d’atteindre des seuils en courant qui sont relativement faibles. Ainsi peut-on opérer en mode continu et à température ambiante. Les autres avantages de la hétérostructure bilatérale sont : – par application d’une polarisation directe, on peut facilement abaisser les barrières de potentiels trop élevées permettant à un grand nombre de porteurs d’être injectés dans la jonction entraînant ainsi une inversion de population. – La grande différence des indices de réfraction entre les différentes couches permet un bon confinement et donc un bon effet laser. – Les pertes dues à la recombinaison de porteurs en dehors de la zone d’inversion de population sont réduites. La figure II.3. montre une double hétérostructure AlGaAs de type P-n-N avec et sans polarisation de même la variation de l’indice de réfraction au niveau du composé.