Pensez-vous réellement connaître le laser à fibre?

Tout d’abord, un peu d’histoire : découvert en 1963 par Elias Snitzer, le laser à fibre a remplacé différents types de lasers, destinés à plusieurs applications, tels que le laser CO2 et d’autre types de laser à l’état solide. Bien qu’il ait fallu près de deux décennies pour que le premier laser à fibre soit commercialisé, il s’agit aujourd’hui de l’un des systèmes les plus utilisés dans l’industrie du traitement des matériaux, ainsi que dans les télécommunications et la détection.

Pourquoi un tel retard? Premièrement, il faut dire qu’il y avait beaucoup de potentiel inexploité dans la technologie de laser à fibre à l’époque. Contrairement à la plupart des applications qui nécessitent au moins 20 watts, les lasers à fibre ne pouvaient émettre que quelques dizaines de milliwatts. Ensuite, en raison du manque de diodes laser de haute qualité, la lumière de pompe de haute qualité ne pouvait être générée, une exigence pour les applications visées.

Qu’est-ce qu’un laser à fibre?

Un laser à fibre est un type spécial de laser à l’état solide qui utilise la fibre optique dopée aux terres rares pour la cavité laser, où le faisceau est généré à même la fibre contrairement aux lasers à gas tel un laser CO₂qui génèrent le faisceau à travers une cavité gazeuse. Selon les applications, différents types de terres rares peuvent être utilisés pour générer le faisceau, tels que l’ytterbium pour une longueur d’onde d’environ 1 µm, l’erbium pour 1,5 µm et le thulium pour un faisceau de 2 µm. Nous pouvons aussi utiliser une fibre optique non dopée pour le transport de faisceau. Étant une variante du laser solide standard, les lasers à fibres offrent plusieurs avantages par rapport aux autres technologies laser tels que la facilité d’utilisation, une maintenance minimale requise, une grande fiabilité et une grande capacité d’intégration.

La méthode la plus courante de pompage optique pour lasers à fibre est l’utilisation de diodes laser, bien que d’autres lasers à fibre soient parfois utilisés. La plupart ou la totalité des optiques de ces systèmes sont couplées par des fibres, qui relient les différents composants. La source de pompage des diodes peut être une diode unique ou un réseau de diodes de pompage couplées par fibre. La fibre dopée possède une cavité miroir de chaque côté, appelée réseau de Bragg, qui est un réflecteur de Bragg distribué utilisé pour réfléchir les longueurs d’onde de la lumière.

Comme la cavité est composée de fibre optique dopée, c’est-à-dire de verre de silice, elle peut ensuite être enroulée. Donc, si vous le désirez, la cavité peut mesurer plusieurs mètres de long.

En général, la structure de la fibre optique utilisée dans le laser à fibre est une fibre à double gaine où la gaine interne collecte la lumière de pompage et la guide le long de la fibre. Un laser à fibre peut être pompé soit à l’extrémité ou latéralement, la lumière étant couplée sur le côté de la fibre en fonction de la conception du système.

Schéma d’un laser à fibre:

Les principes de fonctionnement d’un laser à fibre

La lumière générée par la diode de pompe voyage par la cavité fibrée, là où la fibre est dopée avec un élément de terre rare pour produire une longueur d’onde spécifique. Les électrons des particules de la fibre dopée augmentent en énergie lorsqu’ils interagissent avec la lumière puis retombent à leur état initial lorsqu’ils interagissent avec la lumière. Ces phénomènes sont respectivement appelés « excitation des électrons » et « relaxation par électrons ».

Comme la cavité est également composée de réseaux de Bragg, la lumière peut alors rebondir de l’avant à l’arrière, agissant ainsi comme un résonateur, créant ainsi une amplification de la lumière par l’émission stimulée de radiation (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, d’où l’appellation LASER).

L’amplification se produit lorsque les photons frappent d’autres particules excitées, et ses particules libèrent aussi des photons. Comme les réseaux de Bragg réfléchissent les photons dans la cavité, et qu’il y a plus de lumière de pompe envoyée, un nombre exponentiel de photons est libéré. À la suite de cette émission stimulée de rayonnement, une lumière laser est créée.

Un laser à fibre peut fonctionner en mode d’ondes continues (CW) ou en mode à impulsion. Un laser à fibre continue émet un faisceau et une intensité lumineuse constants. L’énergie libérée dans le faisceau est donc constante dans le temps.

Pour un laser à impulsion, le laser produit une série d’impulsions selon une largeur et une fréquence données, jusqu’à ce qu’il soit arrêté. La largeur des impulsions peut varier d’une nanoseconde à une femtoseconde (impulsions ultracourtes), correspondant à l’application souhaitée. Un laser à fibre pulsée peut produire une puissance crête supérieure à sa puissance moyenne comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Depuis quelques années, les développements dans le domaine du laser à fibre se font voir surtout lorsque l’on regarde la puissance de sortie, l’énergie et la largeur de l’impulsion. Avec la gamme de longueurs d’onde qu’ils peuvent générer, les lasers à fibre sont maintenant utilisés dans diverses applications : le traitement des matériaux, les télécommunications, la détection, le domaine médical, la défense et la sécurité. Ces applications et bien d’autres bénéficient grandement des utilisations des lasers à fibre. Suivez notre blogue pour d’autres informations sur le sujet ou contactez l’un de nos experts pour en savoir plus sur les lasers à fibre et les fibres optiques. Quel que soit votre domaine, le laser à fibre peut sûrement faciliter votre travail!