Laser à fibre Ytterbium : dispositif, principe de fonctionnement, puissance, production, application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Les lasers à fibre sont compacts et robustes, pointent avec précision et dissipent facilement l'énergie thermique. Ils se présentent sous une variété de formes et, tout en ayant beaucoup en commun avec d'autres types de générateurs quantiques optiques, ont leurs propres avantages uniques.

Lasers à fibre: comment ça marche

Les appareils de ce type sont une variante d'une source à semi-conducteurs standard de rayonnement cohérent avec un milieu de travail constitué de fibres plutôt que d'une tige, d'une plaque ou d'un disque. La lumière est générée par un dopant au centre de la fibre. La structure de base peut varier de simple à assez complexe. La conception du laser à fibre d'ytterbium est telle que la fibre a un grand rapport surface/volume, de sorte que la chaleur peut être dissipée relativement facilement.

Les lasers à fibre sont pompés optiquement, le plus souvent par des générateurs quantiques à diodes, mais dans certains cas par les mêmes sources. Les optiques utilisées dans ces systèmes sont généralement des composants à fibre, la plupart ou la totalité d'entre eux étant connectés les uns aux autres. Dans certains casdes optiques volumétriques sont utilisées, et parfois un système de fibre optique interne est combiné avec une optique volumétrique externe.

La source de pompage par diode peut être une diode, une matrice ou une pluralité de diodes individuelles, chacune étant connectée à un connecteur par un guide de lumière à fibre optique. La fibre dopée possède un miroir résonateur à cavité à chaque extrémité - en pratique, des réseaux de Bragg sont réalisés dans la fibre. Il n'y a pas d'optique en vrac aux extrémités, à moins que le faisceau de sortie ne pénètre dans autre chose qu'une fibre. Le guide de lumière peut être tordu, de sorte que si vous le souhaitez, la cavité laser peut mesurer plusieurs mètres de long.

Structure à double cœur

La structure de la fibre utilisée dans les lasers à fibre est importante. La géométrie la plus courante est la structure à double noyau. Le noyau externe non dopé (parfois appelé gaine interne) collecte la lumière pompée et la dirige le long de la fibre. L'émission stimulée générée dans la fibre traverse le noyau interne, qui est souvent monomode. Le noyau interne contient un dopant à l'ytterbium stimulé par le faisceau lumineux de pompe. Il existe de nombreuses formes non circulaires du noyau externe, y compris hexagonales, en forme de D et rectangulaires, qui réduisent le risque de manque de faisceau lumineux du noyau central.

Le laser à fibre peut être pompé par l'extrémité ou par le côté. Dans le premier cas, la lumière d'une ou plusieurs sources pénètre à l'extrémité de la fibre. Dans le pompage latéral, la lumière est introduite dans un séparateur, qui la fournit au noyau externe. cediffère du laser à tige, où la lumière pénètre perpendiculairement à l'axe.

Cette solution nécessite beaucoup de développement de conception. Une attention considérable est accordée à la conduite de la lumière de pompage dans le noyau pour produire une inversion de population conduisant à une émission stimulée dans le noyau interne. Le coeur laser peut avoir un degré d'amplification différent en fonction du dopage de la fibre, ainsi que de sa longueur. Ces facteurs sont ajustés par l'ingénieur de conception pour obtenir les paramètres requis.

Des limitations de puissance peuvent survenir, en particulier lors du fonctionnement dans une fibre monomode. Un tel noyau a une très petite section transversale et, par conséquent, une lumière de très haute intensité le traverse. Dans le même temps, la diffusion Brillouin non linéaire devient de plus en plus perceptible, ce qui limite la puissance de sortie à plusieurs milliers de watts. Si le signal de sortie est suffisamment élevé, l'extrémité de la fibre peut être endommagée.

Caractéristiques des lasers à fibre

L'utilisation de la fibre comme milieu de travail donne une longue durée d'interaction qui fonctionne bien avec le pompage par diode. Cette géométrie se traduit par une efficacité de conversion de photons élevée ainsi qu'une conception robuste et compacte sans optique discrète à régler ou à aligner.

Le laser à fibre, dont le dispositif lui permet de bien s'adapter, peut être adapté aussi bien pour souder des tôles épaisses que pour produire des impulsions femtosecondes. Les amplificateurs à fibre optique fournissent une amplification à passage unique et sont utilisés dans les télécommunications car ils sont capables d'amplifier plusieurs longueurs d'onde simultanément. Le même gain est utilisé dans les amplificateurs de puissance avec un oscillateur maître. Dans certains cas, l'amplificateur peut fonctionner avec un laser CW.

Un autre exemple est celui des sources d'émission spontanée amplifiées par fibre dans lesquelles l'émission stimulée est supprimée. Un autre exemple est un laser à fibre Raman avec amplification de diffusion combinée, qui décale considérablement la longueur d'onde. Il a trouvé une application dans la recherche scientifique, où les fibres de verre fluorées sont utilisées pour la génération et l'amplification Raman, plutôt que les fibres de quartz standard.

Cependant, en règle générale, les fibres sont en verre de quartz avec un dopant de terre rare dans le noyau. Les principaux additifs sont l'ytterbium et l'erbium. L'ytterbium a des longueurs d'onde de 1030 à 1080 nm et peut rayonner sur une plage plus large. L'utilisation du pompage par diode à 940 nm réduit considérablement le déficit en photons. L'ytterbium n'a aucun des effets d'auto-extinction du néodyme à haute densité, c'est pourquoi le néodyme est utilisé dans les lasers en vrac et l'ytterbium dans les lasers à fibre (ils fournissent tous deux à peu près la même longueur d'onde).

L'erbium émet dans la plage de 1 530 à 1 620 nm, ce qui est sans danger pour les yeux. La fréquence peut être doublée pour générer de la lumière à 780 nm, ce qui n'est pas disponible pour les autres types de lasers à fibre. Enfin, l'ytterbium peut être ajouté à l'erbium de manière à ce que l'élément absorbepomper le rayonnement et transférer cette énergie à l'erbium. Le thulium est un autre dopant proche infrarouge, qui est donc un matériau sans danger pour les yeux.

Haute efficacité

Le laser à fibre est un système à quasi trois niveaux. Le photon pompe excite la transition de l'état fondamental vers le niveau supérieur. Une transition laser est une transition de la partie la plus basse du niveau supérieur vers l'un des états fondamentaux divisés. C'est très efficace: par exemple, l'ytterbium avec un photon de pompe à 940 nm émet un photon avec une longueur d'onde de 1 030 nm et un défaut quantique (perte d'énergie) d'environ 9 %.

En revanche, le néodyme pompé à 808 nm perd environ 24 % de son énergie. Ainsi, l'ytterbium a intrinsèquement une efficacité plus élevée, bien que tout ne soit pas réalisable en raison de la perte de certains photons. Yb peut être pompé dans un certain nombre de bandes de fréquences, tandis que l'erbium peut être pompé à 1480 ou 980 nm. Une fréquence plus élevée n'est pas aussi efficace en termes de défaut de photon, mais utile même dans ce cas car de meilleures sources sont disponibles à 980 nm.

En général, l'efficacité d'un laser à fibre est le résultat d'un processus en deux étapes. Premièrement, c'est l'efficacité de la diode de pompe. Les sources semi-conductrices de rayonnement cohérent sont très efficaces, avec une efficacité de 50 % pour convertir un signal électrique en un signal optique. Les résultats des études en laboratoire indiquent qu'il est possible d'atteindre une valeur de 70% ou plus. Avec une correspondance exacte de la ligne de rayonnement de sortieabsorption laser à fibre et efficacité élevée de la pompe.

Second est l'efficacité de conversion optique-optique. Avec un petit défaut photonique, un degré élevé d'efficacité d'excitation et d'extraction peut être atteint avec une efficacité de conversion opto-optique de 60 à 70 %. L'efficacité qui en résulte est de l'ordre de 25 à 35 %.

Diverses configurations

Les générateurs quantiques à fibre optique de rayonnement continu peuvent être monomodes ou multimodes (pour les modes transversaux). Les lasers monomodes produisent un faisceau de haute qualité pour les matériaux fonctionnant ou rayonnant dans l'atmosphère, tandis que les lasers à fibre industriels multimodes peuvent générer une puissance élevée. Ceci est utilisé pour la découpe et le soudage, et en particulier pour le traitement thermique où une grande surface est éclairée.

Le laser à fibre à impulsions longues est essentiellement un dispositif quasi continu, produisant généralement des impulsions de type milliseconde. Typiquement, son rapport cyclique est de 10 %. Il en résulte une puissance crête plus élevée qu'en mode continu (typiquement dix fois plus) qui est utilisé pour le forage pulsé par exemple. La fréquence peut atteindre 500 Hz, selon la durée.

La commutation Q dans les lasers à fibre fonctionne de la même manière que dans les lasers en masse. La durée d'impulsion typique est de l'ordre des nanosecondes aux microsecondes. Plus la fibre est longue, plus il faut de temps pour commuter la sortie en Q, ce qui entraîne une impulsion plus longue.

Les propriétés de la fibre imposent certaines restrictions sur la commutation Q. La non-linéarité d'un laser à fibre est plus importante en raison de la petite section transversale du noyau, de sorte que la puissance de crête doit être quelque peu limitée. On peut utiliser soit des commutateurs Q volumétriques, qui offrent de meilleures performances, soit des modulateurs à fibre, qui sont connectés aux extrémités de la partie active.

Les impulsions Q-switch peuvent être amplifiées dans la fibre ou dans un résonateur à cavité. Un exemple de ce dernier peut être trouvé au National Nuclear Test Simulation Facility (NIF, Livermore, CA), où un laser à fibre d'ytterbium est l'oscillateur maître pour 192 faisceaux. De petites impulsions dans de grandes dalles de verre dopées sont amplifiées en mégajoules.

Dans les lasers à fibre verrouillés, le taux de répétition dépend de la longueur du matériau de gain, comme dans d'autres schémas de verrouillage de mode, et la durée de l'impulsion dépend de la bande passante du gain. Les plus courts sont dans la gamme 50 fs et les plus typiques sont dans la gamme 100 fs.

Il existe une différence importante entre les fibres d'erbium et d'ytterbium, ce qui fait qu'elles fonctionnent dans des modes de dispersion différents. Les fibres dopées à l'erbium émettent à 1550 nm dans la région de dispersion anormale. Cela permet la production de solitons. Les fibres d'ytterbium se situent dans le domaine de la dispersion positive ou normale; en conséquence, ils génèrent des impulsions avec une fréquence de modulation linéaire prononcée. Par conséquent, un réseau de Bragg peut être nécessaire pour compresser la longueur d'impulsion.

Il existe plusieurs façons de modifier les impulsions laser à fibre, en particulier pour les études picosecondes ultrarapides. Les fibres de cristal photonique peuvent être fabriquées avec de très petits noyaux pour produire de puissants effets non linéaires, tels que la génération de supercontinuum. En revanche, les cristaux photoniques peuvent également être fabriqués avec de très gros cœurs monomodes pour éviter les effets non linéaires à haute puissance.

Les fibres à cristaux photoniques flexibles à large cœur sont conçues pour les applications à haute puissance. Une technique consiste à plier intentionnellement une telle fibre pour éliminer tous les modes d'ordre supérieur indésirables tout en ne conservant que le mode transverse fondamental. La non-linéarité crée des harmoniques; en soustrayant et en ajoutant des fréquences, des ondes plus courtes et plus longues peuvent être créées. Les effets non linéaires peuvent également comprimer les impulsions, ce qui entraîne des peignes de fréquences.

En tant que source supercontinuum, des impulsions très courtes produisent un large spectre continu en utilisant l'automodulation de phase. Par exemple, à partir des impulsions initiales de 6 ps à 1050 nm que crée un laser à fibre d'ytterbium, on obtient un spectre allant de l'ultraviolet à plus de 1600 nm. Une autre source IR supercontinuum est pompée avec une source d'erbium à 1550 nm.

Haute puissance

L'industrie est actuellement le plus grand consommateur de lasers à fibre. La puissance est en forte demande en ce moment.environ un kilowatt, utilisé dans l'industrie automobile. L'industrie automobile s'oriente vers des véhicules en acier à haute résistance pour répondre aux exigences de durabilité et être relativement légers pour une meilleure économie de carburant. Il est très difficile pour les machines-outils ordinaires, par exemple, de percer des trous dans ce type d'acier, mais les sources de rayonnement cohérentes facilitent la tâche.

Découper des métaux avec un laser à fibre, par rapport à d'autres types de générateurs quantiques, présente un certain nombre d'avantages. Par exemple, les longueurs d'onde du proche infrarouge sont bien absorbées par les métaux. Le faisceau peut être diffusé sur la fibre, ce qui permet au robot de déplacer facilement la mise au point lors de la coupe et du perçage.

La fibre répond aux exigences de puissance les plus élevées. Une arme de la marine américaine testée en 2014 se compose de lasers à 6 fibres de 5,5 kW combinés en un seul faisceau et émettant via un système optique de formation. L'unité de 33 kW a été utilisée pour détruire un véhicule aérien sans pilote. Bien que le faisceau ne soit pas monomode, le système est intéressant car il permet de créer de ses propres mains un laser à fibre à partir de composants standards facilement disponibles.

La source de lumière cohérente monomode la plus puissante d'IPG Photonics est de 10 kW. L'oscillateur principal produit un kilowatt de puissance optique, qui est introduit dans l'étage amplificateur pompé à 1018 nm avec la lumière d'autres lasers à fibre. L'ensemble du système a la taille de deux réfrigérateurs.

L'utilisation des lasers à fibre s'est également étendue à la découpe et au soudage à haute puissance. Par exemple, ils ont remplacésoudage par résistance de la tôle d'acier, résolvant le problème de la déformation du matériau. Le contrôle de la puissance et d'autres paramètres permet une coupe très précise des courbes, en particulier des coins.

Le laser à fibre multimode le plus puissant - une machine de découpe de métal du même fabricant - atteint 100 kW. Le système est basé sur une combinaison d'un faisceau incohérent, il ne s'agit donc pas d'un faisceau de très haute qualité. Cette durabilité rend les lasers à fibre attrayants pour l'industrie.

Forage de béton

Le laser à fibre multimode 4KW peut être utilisé pour la découpe et le forage du béton. Pourquoi est-ce nécessaire ? Lorsque les ingénieurs essaient d'obtenir une résistance aux tremblements de terre dans les bâtiments existants, il faut être très prudent avec le béton. Si une armature en acier y est installée, par exemple, le forage à percussion conventionnel peut fissurer et affaiblir le béton, mais les lasers à fibre le coupent sans l'écraser.

Les générateurs quantiques à fibre à commutation Q sont utilisés, par exemple, pour le marquage ou dans la production d'électronique à semi-conducteurs. Ils sont également utilisés dans les télémètres: les modules de la taille d'une main contiennent des lasers à fibre sans danger pour les yeux d'une puissance de 4 kW, d'une fréquence de 50 kHz et d'une largeur d'impulsion de 5 à 15 ns.

Traitement de surface

Il y a beaucoup d'intérêt pour les petits lasers à fibre pour le micro et le nano-usinage. Lors du retrait de la couche de surface, si la durée d'impulsion est inférieure à 35 ps, il n'y a pas d'éclaboussures du matériau. Cela empêche la formation de dépressions etautres artefacts indésirables. Les impulsions femtosecondes produisent des effets non linéaires qui ne sont pas sensibles à la longueur d'onde et ne chauffent pas l'espace environnant, permettant un fonctionnement sans dommages importants ni affaiblissement des zones environnantes. De plus, les trous peuvent être coupés à des rapports profondeur/largeur élevés, par exemple en faisant rapidement (en quelques millisecondes) de petits trous dans de l'acier inoxydable de 1 mm en utilisant des impulsions de 800 fs à 1 MHz.

Peut également être utilisé pour le traitement de surface de matériaux transparents tels que les yeux humains. Pour couper un volet en microchirurgie oculaire, les impulsions femtosecondes sont étroitement focalisées par un objectif à grande ouverture en un point situé sous la surface oculaire, sans endommager la surface, mais en détruisant le matériau oculaire à une profondeur contrôlée. La surface lisse de la cornée, essentielle à la vision, reste intacte. Le rabat, séparé du dessous, peut ensuite être tiré vers le haut pour la formation de lentille laser à excimère de surface. D'autres applications médicales incluent la chirurgie de pénétration peu profonde en dermatologie et l'utilisation dans certains types de tomographie par cohérence optique.

Lasers femtoseconde

Les générateurs quantiques femtosecondes sont utilisés en science pour la spectroscopie d'excitation avec claquage laser, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps, ainsi que pour la recherche générale sur les matériaux. De plus, ils sont nécessaires pour la production de fréquence femtosecondepeignes nécessaires à la métrologie et à la recherche générale. L'une des véritables applications à court terme sera les horloges atomiques pour les satellites GPS de nouvelle génération, qui amélioreront la précision du positionnement.

Le laser à fibre à fréquence unique est produit avec une largeur de raie spectrale inférieure à 1 kHz. C'est un appareil incroyablement petit avec une puissance de sortie allant de 10 mW à 1 W. Il trouve des applications dans le domaine des communications, de la métrologie (par exemple, dans les gyroscopes à fibre) et de la spectroscopie.

Quelle est la prochaine ?

Comme pour les autres applications de R&D, bien d'autres sont à l'étude. Par exemple, un développement militaire applicable à d'autres domaines, qui consiste à combiner des faisceaux laser à fibre pour obtenir un faisceau de haute qualité par combinaison cohérente ou spectrale. En conséquence, plus de puissance est obtenue dans le faisceau monomode.

La production de lasers à fibre connaît une croissance rapide, notamment pour les besoins de l'industrie automobile. Les appareils sans fibre sont également remplacés par des appareils à fibre. En plus des améliorations générales en termes de coût et de performances, les générateurs quantiques femtosecondes et les sources de supercontinuum deviennent de plus en plus pratiques. Les lasers à fibre deviennent de plus en plus spécialisés et deviennent une source d'amélioration pour d'autres types de lasers.