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 del’émission et de l’absorption de la lumière par les systèmes atomiques formulée par AlbertEINSTEIN en 1917. Dans l ’émission et l’absorption de la lumière par la matière on peutdistinguer 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 desélectrons 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 supérieureE2. 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 deuxniveaux d’énergie del’atome[1, 12]. Sur la figure I.2 sont représentés les diagrammes de l’émission spontanée et de l’absorption.

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 incidentd’énergie hv = E2 – E1 un atome excité à un niveau d’énergie E2 passe au niveaud’énergie E1 en émettant deux photons ayant les mêmes caractéristiques : même énergie,même direction et même phase. C’est l’émission stimulée et elle a lieu avec une amplificationde l’émission photonique : à partir de n photons, on obtient 2n photons. L’émission stimuléeest un processus cohérent, les photons émis ayant les mêmes phases. Dans les conditionsnormales le processus de l’émission spontanée est prédominant sur celui de l’émission induiteet 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 (populationdu 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.

LES DIODES LASERS

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 etaccordables ( 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.

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 demême composition (mêmes matériaux de base) avec des types de dopage différent.Les diodeslasers à hétérojonction sont des types de jonction de deux semi-conducteursconstituées de matériaux de base différents. L’hétérojonction permet de mieux confiner ledéplacement 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 ].

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 binairecomportant une couche activede largeur de bande interdite inférieure à celle des deuxpremiers composés (figure II.3.a). Cessemi-conducteurs sont donc de nature différente et ne possèdent pas les mêmes indices deréfractions.
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 depotentiels trop élevées permettant à un grand nombre de porteurs d’être injectés dans lajonction entraînant ainsi une inversion de population.
– La grande différence des indices de réfraction entre les différentes couches permet unbon 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.

Principe de fonctionnement des diodes lasers

Emission stimulée

Pour décrire l’émission stimulée dans une diode laser, nous considérerons les électrons dansles bandes de valence et de conduction pour simplifier.
Lorsqu’un photon interagit avec un électron de la bande de valence, il est absorbé ce qui a pour conséquence la création d’une paire électron-trou. Si par contre l’interaction se fait avec un électron de la bande de conduction, un autre photon est créé à la suite de larecombinaison entre un électron et un trou. Ce photon créé peut déclencher à son tourl’émission d’un autre photon et ainsi de suite. Tous les photons créés sont parfaitementidentiques entre eux et identiques au photon incident : c’est le phénomène d’émission stimulée

Mécanisme de pompage et Inversion de population

Une inversion de population dans les semi-conducteurs se traduit par un nombre d’électrons du niveau le plus bas de la bande de conduction plus important que celui du niveau le plus élevé de la bande de valence.
La génération de photons stimulés au cours de la recombinaison entre les électrons et lestrous épuise la densité de population des niveaux. A cet effet, on utilise le mécanisme depompage électronique pour remplacer les porteurs perdus pendant ce processus.
Dans le semi-conducteur, les électrons injectés à partir de la zone n deviennent un excèsde porteurs minoritaires dans la région p et les trous injectés à partir de la région p un excèsdeporteurs minoritaires dans la région n. Si la concentration d’excès de porteurs minoritairesdevient très grande, alors la condition d’inversion de population est satisfaite. Ceci estpossible en dopant à la fois la région n par des électrons et la région p par des trous et enpolarisant de sorte qu’une grande concentration d’électron et de trous diffuse pour créer une inversion de population au niveau de la jonction .

Considérations optiques 

Certaines conditions optiques telles que le confinement des porteurs, le gain optique,la cavité laser ou encore la condition du seuil laser doivent être prises en considération pour avoir une émission de laser à partir de la jonction de deux semi-conducteurs.

Le confinement 

L’indice de réfraction des semi-conducteurs est de façon générale une fonction décroissantedu gap ( distance entre la BC et la BV). Il varie des zones n et p à la jonction, cette différencepermet de confiner les photons comme dans une fibre optique. Le confinement de l’action laser au niveau de la jonction est assuré par les propriétés naturelles de la zone active. Ceconfinement peut se faire suivant deux mécanismes qui sont : le guidage par le gain ; ladensité d’électrons injectés et le gain sont maximaux au centre de la jonction et la partie réelle de l’indice de réfraction y présente un minimum, la structure est dite antiguidante et les pertesà la propagation qui sont induites doivent-être compensées par le gain. Le guidage parl’indice ; la radiation est confinée par une cannelure de guide d’onde formée au voisinage dela jonction [14].
Par ailleurs, le champ optique s’étend partiellement au niveau des couches de confinement à indice plus faible c’est à dire dans les zones n et p, le recouvrement entre la zone active et lechampoptique est donc imparfait. L’efficacité du confinement optique est caractérisé par lefacteur de confinement Γ défini par [1]:

CARACTERISATION ET MESURES DE LONGUEURS D’ONDE

Descriptions

Dans ce travail, nous avons procédé aux caractérisations de quatre types de diodes : deux diodes Sony et deux diodes Mitsubishi qui nous sont parvenues sans aucunespécification particulière. Pour l’utilisation des diodes lasers en spectroscopie atomique, il estimportant de déterminer avec exactitude ses différentes caractéristiques : la longueur d’onde, le courant seuil, le courant limite.
C’est ainsi que nous avons mesuré les relations puissance-courant d’injection, courantd’injection-température et enfin, nous avons déterminé les courants de seuil à différentes températures ainsi que la variation de la longueur d’onde en fonction de la température. Nousrappelons tout simplement que la détermination de ces caractéristiques est d’une grande importance puisqu’elle nous permet d’utiliser ces diodes dans les expériences de spectroscopie atomique.
Les diodes lasers dont nous disposons sont des structures à double hétérojonction composées des matériaux GaAs et AlGaAs.
Les structures à double hétérojonction sont des matériaux convenablement dopés pour l’injection de porteurs. Elles permettent aussi d’assurer des confinements optique et électronique très efficaces.