Présentation des lasers à fibre

1. Définition et structure de base :

  · Un laser à fibre est défini comme un laser dans lequel la fibre optique dopée elle-même agit comme milieu de gain, ce qui le distingue des systèmes dans lesquels le laser est simplement couplé à une fibre.

  · Les composants centraux sont la fibre dopée (généralement avec des ions Yb, Er, Tm) et un résonateur optique intégré.

2. Technologies de base et avantages :

  · Méthode de pompage : pompé optiquement par des diodes laser ou d'autres lasers à fibre.

  · Composant clé : des fibres à double gaine sont utilisées pour un couplage efficace de la lumière de la pompe.

  · Implémentation du résonateur : diverses méthodes, notamment les miroirs d'extrémité, les miroirs à boucle de fibre et les réseaux de Bragg à fibre (FBG).

  · Avantages clés : Bénéficiant des propriétés de guide d'onde des fibres optiques, elles offrent une qualité de faisceau élevée, une capacité de puissance de sortie élevée (CW/pulsée), un rendement élevé, une excellente gestion thermique et une conception compacte.

3. Longueurs d'onde de fonctionnement et applications :

  · Gamme spectrale primaire : couvre les régions du proche infrarouge (NIR) au moyen infrarouge (MIR).

  · Applications étendues : communications par fibre optique, médecine laser (par exemple, chirurgie, thérapie), LiDAR, télémétrie laser, servant de sources de départ pour des lasers de plus haute puissance et dominant le marché du traitement des matériaux à ondes continues de haute puissance (par exemple, découpe, soudage, fabrication additive).

2. Principales caractéristiques de sortie des lasers

Le processus d’amplification cohérente confère à la lumière laser un ensemble unique de propriétés interdépendantes qui déterminent son adéquation à diverses applications.

1. Longueur d'onde :

  · Déterminé par les transitions de niveau d'énergie du milieu de gain.

  · Les lasers existants couvrent un large spectre allant de l'ultraviolet (UV) à l'infrarouge lointain (FIR), y compris des systèmes spécialisés pour les rayons X mous.

  · La flexibilité des longueurs d'onde grâce aux techniques de conversion de fréquence permet de couvrir les applications à longueur d'onde courte (lithographie) jusqu'aux applications à longueur d'onde longue (spectroscopie).

2. Gagnez en bande passante :

  · La gamme de longueurs d'onde (fréquences) sur laquelle le milieu de gain fournit une amplification.

  · Varie considérablement : les lasers à gaz (par exemple, HeNe) ont des bandes passantes très étroites (~ GHz), tandis que les lasers à semi-conducteurs (par exemple, Ti : Saphir) ont des bandes passantes extrêmement larges (> 100 THz).

  · La bande passante pratiquement utilisable est également influencée par les pertes du système et la conception des cavités.

3. Monochromaticité (bande passante spectrale) :

  · Fait référence à la pureté spectrale ou à la largeur de raie de la sortie laser.

  · Déterminé conjointement par la bande passante de gain et les propriétés de sélection de mode du résonateur.

  · L'espacement des modes longitudinaux est Δν = c/(2nL). Plusieurs modes longitudinaux peuvent osciller dans la bande passante de gain.

  · Réalisation d'un fonctionnement en mode longitudinal unique (monochromaticité élevée) : raccourcissement de la cavité (augmentation de Δν) ou insertion d'éléments sélectifs en fréquence intra-cavité (par exemple, étalons).

  · Crucial pour des applications telles que la télédétection, la spectroscopie et les étalons de fréquence.

4. Profil spatial et temporel :

  · Profil spatial (mode transversal) : déterminé par la cavité laser. Le TEM ?? le mode fondamental (faisceau gaussien) est idéal, offrant la plus petite divergence et la meilleure focalisation.

  · Profil temporel :

    · Onde continue (CW) : puissance de sortie stable.

    · Fonctionnement pulsé : la sortie est un train d'impulsions, caractérisé par la largeur d'impulsion (μs, ns, ps, fs) et le taux de répétition (Hz). Indispensable pour les applications nécessitant une puissance de crête élevée.

5. Collimation (faible divergence) :

  · Les faisceaux laser sont hautement directionnels avec une très faible divergence, en particulier le TEM ? mode.

  · Cette collimation élevée permet une transmission sur de longues distances (par exemple, télémétrie lunaire) et permet au faisceau d'être focalisé sur un point limité par la diffraction, générant des densités de puissance extrêmement élevées pour la microscopie, le micro-usinage, l'optique non linéaire et la lithographie.

6. Puissance de sortie :

  · Puissance moyenne : Directement donnée pour les lasers CW ; pour les lasers pulsés, c'est (Énergie d'impulsion × Taux de répétition).

  · Puissance de crête : d'une importance cruciale pour les lasers pulsés, égale à (énergie d'impulsion/durée d'impulsion). Même avec une puissance moyenne modérée, les impulsions ultracourtes peuvent produire une puissance de crête extrêmement élevée (par exemple, des niveaux de GW).

  · La force clé des lasers est la concentration d'une puissance/énergie élevée dans une très petite zone spatiale (petit point) et/ou un temps court (impulsion), ce qui entraîne une intensité ou un rayonnement exceptionnel.

7. Cohérence :

  · Provient de la nature clonée des photons à émission stimulée, possédant des relations de phase fixes.

  · Cohérence temporelle : Directement liée à la monochromaticité (largeur de ligne). Une largeur de ligne plus étroite implique une longueur de cohérence plus longue. Indispensable pour l'interférométrie et l'holographie.

  · Cohérence spatiale : fait référence à la relation de phase entre différents points sur le front d'onde du faisceau ; les lasers de haute qualité présentent une cohérence spatiale élevée.

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