– BACHELOR

Au cours des dernières années, de nombreux dispositifs optoélectroniques à base de semiconducteurs organiques ont été développés : capteurs, photodétecteurs, cellules photovoltaïques, et diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Ces dernières ont aujourd'hui atteint un niveau de maturité tel que leur production de masse a commencé. Mais la diode laser organique est notablement absente de la liste de ces dispositifs. Les diodes laser organiques seraient une alternative économique aux diodes laser inorganiques, couvrant l'intégralité du spectre visible, faciles à mettre en œuvre sur toutes sortes de substrats (y compris flexibles), et de plus compatibles avec la filière silicium. De récents papiers soulignent toutefois le fait qu'il s'agit là d'un projet scientifique à long terme, qui se heurte à un certain nombre de défis. Ces derniers sont essentiellement la présence de porteurs de charge (polarons) présentant une forte absorption dans la zone spectrale de gain, ainsi que les pertes induites par les électrodes métalliques. Il convient de rajouter à cela les problèmes de photostabilité, incontournables dès lors qu'il s'agit de matériaux organiques. Au vu des difficultés, il est raisonnable de s'intéresser dans un premier temps à des lasers organiques pompés optiquement. Partant du fait que des solutions efficaces au problème des pertes dues aux électrodes ont déjà été proposées, le projet présenté ici se propose d'explorer deux voies différentes pour d'une part augmenter la durée de vie et les performances (énergie, qualité de faisceau) des lasers pompés optiquement ; et d'autre part contourner le problème de l'absorption due aux charges par l'emploi de matériaux phosphorescents. La première partie de ce projet vise à réaliser un laser solide organique en cavité externe (VECSOL = Vertical External Cavity Surface emitting Organic Laser), pompé optiquement, qui est la transposition aux matériaux organiques de l'architecture dite « VECSEL » ou « disque mince » qui sont empruntées respectivement aux lasers à semiconducteurs et aux lasers solides à base de cristaux dopés aux ions ytterbium. Cette dernière a offert en particulier une solution très efficace aux problèmes thermiques. Or il a été récemment démontré que les phénomènes de photodégradation des matériaux organiques sont très largement activés thermiquement, montrant le soin tout particulier qu'il faut apporter au problème du refroidissement. Ce problème est crucial puisque toutes les applications envisagées nécessitent un fonctionnement laser en continu, ou du moins à haute cadence. Or des simulations numériques montrent qu'un matériau organique dans une architecture laser « classique » (film mince non refroidi) voit sa température augmenter très vite à une cadence de pompe de 1 kHz car le milieu n'a pas le temps d'évacuer la chaleur entre chaque impulsion. Nous présentons en détail la structure VECSOL proposée et justifions l'intérêt de la structure par rapport aux architectures déjà existantes. Plusieurs structures seront réalisées, avec des matériaux classiques comme avec des matériaux originaux à base de carbazoles, synthétisés par l' équipe de chimistes organiciens avec qui nous entretenons depuis plusieurs années une forte interaction. Dans chaque cas, nous étudierons les propriétés lasers et quantifierons le gain apporté par notre structure VECSOL refroidie (durée de vie, puissance de sortie, qualité de faisceau…). La seconde partie du projet est plus exploratoire : il s'agit d'étudier le potentiel de molécules phosphorescentes en tant qu'émetteurs laser. L'obtention, jamais démontrée, d'un effet laser entre le niveau triplet T1 et le niveau singulet S0 d'une molécule phosphorescente constituerait un important pas en avant vers la diode laser organique. En effet, en pompant de façon transitoire le matériau par une impulsion électrique, il est possible de peupler l'état triplet dont la durée de vie est suffisante pour se maintenir après disparition des polarons chargés. Du point de vue du lasériste il s'agit d'un laser déclenché passivement, dont l'émission se construit après disparition brutale des pertes. Cette approche se heurte néanmoins à plusieurs obstacles, dont les plus pénalisants sont les phénomènes de quenching (tels que l'annihilation triplet-triplet) et l'absorption dans les états excités (ESA), dont la section efficace est a priori plus grande que la section efficace d'émission. Nous montrerons qu'à condition d'utiliser une architecture adaptée (dérivée de l'architecture VECSOL mais adaptée aux faibles gains), seul le quatrième problème reste un point dur, du fait qu'il dépend uniquement des propriétés du matériau. Nous proposons de monter un banc de mesure de spectres d'absorption dans les états excités (ESA) de différents matériaux phosphorescents à base de complexes d'iridium. Nous définirons alors les structures lasers adaptées et étudierons les caractéristiques des dispositifs ainsi obtenus.