Ulrich Eismann1, Vincent Aubertin2,
1 TOPTICA Photonics AG, Lochhamer Schlag 19, 82166 Graefelfing (Munich) : ulrich.eismann@toptica.com
2 Opton Laser International, 29, rue Jean Rostand, 91893 Orsay : vincent.aubertin@optonlaser.com

1. Introduction

Quand Dennis Gábor a essayé d’améliorer la résolution du microscope électronique à la fin des années 1940, il ne s’est probablement pas rendu compte de l'impact de son travail. En effet, il a découvert la méthode holographique qui permet d’afficher une image tridimensionnelle complète (3D) d’un objet.  Combiné avec l’invention du laser, l'holographie a quitté les seuls laboratoires de recherche et a engendré une activité industrielle conséquente avec une multitude d’applications.
Les applications pratiques actuelles de l'holographie vont des hologrammes de sécurité bien connus des cartes de crédit et des passeports jusqu'à l'holographie médicale. Les composants optiques comme des réseaux de transmission ou de réflexion trouvent une multitude d'applications dans les lasers ou spectromètres (voir image à droite).
La micro-intégration de ces composants a beaucoup progressé, des exemples étant les diodes lasers DFB (Distributed Feedback) et DBR (Distributed Bragg Reflector) et les réseaux de Bragg fibrés. Dans un proche avenir, une croissance significative de ce secteur est attendue grâce à l’émergence du marché de la réalité augmentée pour le grand public.
 

Fig 1 : Pour créer un hologramme, un faisceau est divisé en deux parties: le faisceau d’éclairage illumine un objet dont la lumière réfléchie est dirigée vers une plaque photographique où elle interfère avec le second faisceau, dit faisceau de référence afin de capturer un motif d’interférences.


Les principes de l'holographie optique n'ont pas changé de manière significative depuis sa première invention (voir Fig. 1). Une lame séparatrice de faisceaux divise un faisceau laser en deux parties : le faisceau d'éclairage qui irradie l'objet et le faisceau de référence envoyé directement à un support d'enregistrement (généralement une plaque photographique). Le faisceau de référence interfère avec la lumière réfléchie par l'objet, et le motif d'interférences résultant est enregistré dans un substrat photosensible. Après cette procédure, le substrat peut être éclairé pour produire une image 3D de l'objet.

2. Diodes lasers pour l'holographie

Alors que les lasers à gaz étaient les premiers lasers à être largement utilisés pour l'holographie, une nouvelle génération de diodes laser de puissance est maintenant disponible pour remplacer ces sources. Le principal avantage des diodes laser est leur disponibilité à presque toutes les longueurs d'onde. Les diodes lasers standard couvrent une large gamme de l’infrarouge (IR) à la lumière visible. La couverture spectrale peut être étendue bien au-delà dans l’ultraviolet (UV) en utilisant des techniques de conversion de fréquence [1].
 

 

Fig 2 : Les diodes lasers peuvent couvrir une plage de longueurs d’ondes extrêmement large allant de 190 à 3500 nm; les sources de faible puissance (DL) peuvent être amplifiées (TA) et doublées en fréquence (SHG) ou quadruplées en fréquence (FHG). (Courtesy of TOPTICA Photonics AG)


La figure 2 illustre cette couverture spectrale étendue, qui montre le spectre en puissance de sortie des diodes lasers accordables TOPTICA. Le spectre s'étend de l’UV profond (190 nm) à l’infrarouge moyen (3500 nm), avec des niveaux de puissance de sortie pouvant atteindre plusieurs watts. Il comprend les longueurs d'ondes visibles (RGB) autour de 457, 532 et 647 nm (voir tableau). Pour les applications nécessitant de très grandes puissances, le chip amplificateur semi-conducteur Tapered Amplifier (TA) peut être remplacé par un amplificateur à fibre tel que celui utilisé dans le laser Toptica SodiumStar qui fournit une puissance de sortie de 22 W à 589 nm, créant ainsi des étoiles artificielles pour télescopes [2].
La résolution du motif d'interférence est un paramètre important pour façonner les éléments lithographiques de plus en plus petits utilisés pour les composants électroniques. Cela nécessite des longueurs d'ondes laser toujours plus courtes. Les lasers à gaz fournissent des longueurs d’ondes standard largement utilisées pour l’holographie et la lithographie (incohérente). Ainsi, en raison de leur manipulation simple, de leurs excellents paramètres de faisceau et de leur coût d’exploitation réduit, les diodes lasers ont trouvé leur place dans des applications qui étaient auparavant dominées par les lasers à gaz. Par exemple, les lasers à ions krypton émettant à 407 nm ont été remplacés par des diodes laser à 405 nm depuis plusieurs années maintenant. Ces longueurs d’ondes sont obtenues soit en utilisant directement des diodes lasers, soit en doublant la fréquence d’un laser IR puissant, stable et à bande étroite, si une puissance plus importante est requise. La plage UV est atteinte en ajoutant un autre étage de conversion de fréquence. La longueur d'onde UV populaire de 266 nm est obtenue par des diodes lasers offrant une puissance de sortie cohérente de 300 mW avec une qualité de faisceau limitée par la diffraction (typiquement M2 <1,2).

3. Applications de l'holographie

Le processus de fabrication de semi-conducteurs optiques nécessite la génération holographique de réseaux à l'intérieur du matériau. Cela se fait généralement à l'aide de lasers à gaz ou à diodes convertis en fréquence à 244 nm. La longueur d'onde populaire de 213 nm d'un laser Nd:YAG pulsé à quintuplement de fréquence peut être obtenue à partir de diodes lasers de puissance continues. L’utilisation de cristaux de KBBF (potassium beryllium fluoroborate) comme moyen de doubler la fréquence est un autre progrès crucial en faveur de longueurs d’ondes encore plus courtes. Celles-ci permettent de faire de l’holographie à la longueur d’onde habituelle de 193 nm avec des diodes lasers à la place des lasers à excimères [3].

Les dispositifs de réalité augmentée (RA) tels que les Hololens de Microsoft ou les One de Magic Leap sont des exemples de nouvelles applications d’holographie destinées aux consommateurs. La RA a le potentiel de changer complètement la façon de travailler en entreprise et potentiellement de remplacer les smartphones.
Autre marché de masse, le secteur de l’automobile est prometteur pour ce type d’application où des informations importantes pour le conducteur, telles que la vitesse du véhicule, peuvent être projetées directement «sur la route» à l’aide d’un affichage tête haute. Pour ces deux applications, les appareils d’imagerie holographiques offrent la meilleure luminosité de l’image projetée par rapport à la lumière ambiante. Par conséquent, les utilisateurs expérimentent une véritable immersion dans la réalité augmentée.
Étant donné que les LEDs d'éclairage ou les diodes lasers ont une longueur d'onde d'émission dispersée sur quelques nanomètres autour de la longueur d'onde nominale, l’image projetée peut être très faible, voire invisible, d’autant plus que les structures photosensibles peuvent voir leurs dimensions varier pendant le processus de production après leur exposition à la lumière. Ici, un autre avantage des diodes lasers entre en jeu, à savoir la possibilité d’ajuster le laser d’écriture à la longueur d'onde souhaitée.
 

 

Fig 3 : Accordablité automatique d'un système à diode laser SHG avec (rouge) et sans (noir) optimisation automatique de la puissance de sortie du laser; la plage d’accordabilité utile, donnée selon un critère de puissance max de 90%, est augmentée d’un facteur cinq grâce à la routine d’optimisation automatique.


La figure 3 montre un exemple d'une telle courbe de réglage, où une accordabilité automatique de 14 nm autour de 480 nm est démontrée. La diode laser non optimisée est accordée sur plus de 2 nm par rapport à la longueur d'onde centrale avant que la puissance ne chute à 90% de son maximum.
La diode laser avec optimisation automatique s’accorde sur 11 nm avant que le critère de 90% ne soit rempli, entraînent une multiplication par cinq de la plage de réglage utile.
Ces systèmes à diodes lasers sont intrinsèquement efficaces et consomment généralement moins de 100 W d'énergie électrique. Cela signifie des économies de centaines de milliers de kilowattheures par rapport à des lasers à gaz gourmands en énergie. En outre, ils fonctionnent sans refroidissement par eau, ce qui simplifie non seulement la configuration et le fonctionnement du laser, mais diminue également le coût de revient déjà considérablement réduit par rapport aux sources historiques. Étant donné que l'apport en chaleur dans un laboratoire d'holographie est un élément crucial et que les turbulences de l'air ou le bruit acoustique peuvent rendre un enregistrement holographique inutilisable, les diodes laser présentent l’avantage de fonctionner avec un refroidissement passif et sans ventilateur.
La facilité de maintenance est assurée par des unités remplaçables sur site (FRU), composées principalement de sous-composants à semi-conducteurs optiques compacts.

4. La question de la cohérence

La longueur de cohérence est un paramètre crucial pour une source de lumière pour l’holographie. Le processus d'écriture nécessite une source dont la longueur de cohérence est donnée par la taille de l'objet et du support photosensible. En principe, la longueur de cohérence doit être au moins égale à la différence de longueur de trajet entre les faisceaux d'éclairage et de référence pour permettre leur interférence au niveau de la plaque photographique. Fonctionnant sur une fréquence unique, les diodes laser accordables peuvent offrir des longueurs de cohérence supérieures à 100 m dans leur configuration standard. De plus, l'électronique d’asservissement du contrôleur permet de verrouiller deux lasers en phase. De cette manière, le faisceau de référence peut également être généré directement sur le support à l'aide d'un second laser.
 

 

Fig 4a : Dérive résiduelle en longueur d'onde d’un laser en free-running à 405 nm, où la dérive reste bien en dessous de 1pm sur plus de 400 heures (a); après une répétition de routines d’optimisation (chaque courbe correspond à des acquisitions obtenues après chaque routine), le laser en free-running détecte de manière fiable la longueur d’onde optimale pour un fonctionnement stable. Aucun saut de mode n'est observé pour l'ensemble des mesures (en insert).

   
Fig 4b : Stabilisation active du système laser, où le laser peut être stabilisé sur une référence externe-par exemple, une cellule à gaz (pour une longueur d'onde cible de 390,1 nm ou 397,5 nm) ou par un lambdamètre (pour toutes les longueurs d'onde). En pratique la stabilité en longueur d’onde est limitée par la référence


Pour certaines applications, la longueur d'onde absolue et la stabilité sont essentielles. Sans dispositifs supplémentaires, la longueur d’onde de sortie d'une diode laser présente des dérives résiduelles. Ces dérives peuvent être fortement compensées à l’aide d’un dispositif de compensation de pression atmosphérique intégré (voir fig. 4a). En raison de l’absence d’eau de refroidissement, le jitter haute fréquence en longueur d’onde est négligeable.

Si une référence absolue en longueur d'onde est nécessaire, un module de stabilisation par spectroscopie peut être connecté au système. Par exemple, des systèmes stabilisés sur des références fournies par les raies D d'un gaz d'atomes de rubidium et qui émettent à 390,1 nm et 397,5 nm ont été réalisés [4] (voir figure 4b). 

Ce principe peut être élargi à toutes les longueurs d'ondes en remplaçant la cellule à gaz de référence par un lambdamètre de précision doté d'une fonctionnalité d’asservissement en longueur d'onde entièrement numérique.

5. Conclusion

Comme présenté ci-dessus, les diodes lasers répondent aux exigences techniques pour effectuer des applications d'holographie et de lithographie non seulement à des longueurs d'onde établies, mais également à toutes les longueurs d'ondes dans les domaines UV et visible. En combinaison avec les autres avantages par rapport aux lasers traditionnels, notamment en termes de manipulation, de fonctionnement et de coût de possession, les diodes lasers sont clairement une solution très intéressante pour l'holographie.

6. Références

[1] U. Eismann et al., "Short, shorter, shortest:Diode lasers in the deep ultraviolet", Laser Focus World, 52, 6, 39–44 (2016); see https://goo.gl/Ys9SRm.
[2] B. Ernstberger et al., "Robust remote-pumping sodium laser for advanced LIDAR and guide star applications", Proc. SPIE, 9641, 96410F(2015).
[3] M. Scholz et al., Appl. Phys. Lett., 103, 051114 (2013).
[4] U. Eismann et al., "Active and passive stabilization of a high-power violet frequencydoubled diode laser", CLEO 2016, JTu5A.65 (2016).