Les catégories de laser à fibre : les lasers à fibre pulsée MOPA

Comme nous l’avons discuté dans un précédent article de blogue, il existe de nombreux types de lasers à fibre, avec de nombreuses possibilités et options pour personnaliser le faisceau lumineux en fonction de l’application cible. Selon le processus nécessaire et les matériaux utilisés, différents niveaux de puissance laser et caractéristiques de sortie sont requis. Une catégorie très importante de lasers à fibre est celle des lasers pulsés, dont la sortie émet des rafales de lumière au lieu d’un flux continu.

Il existe plusieurs façons de concevoir un laser à fibre qui génère des impulsions. Dans cet article, nous allons explorer l’une de ces technologies : les lasers à fibre pulsée MOPA. Nous verrons leur fonctionnement, leurs principaux avantages, leurs applications, ainsi que les fibres proposées par Coractive pour construire ces lasers, y compris notre gamme de fibres à double gaine phosphosilicate dopées ytterbium.

Fonctionnement des lasers à fibre MOPA

L’acronyme MOPA signifie Master Oscillator – Power Amplifier (oscillateur maître – amplificateur de puissance). En résumé, plutôt que d’utiliser la même cavité laser ou étape pour générer à la fois les caractéristiques de pulsation et l’amplification du laser jusqu’à la puissance de sortie finale, de faibles impulsions sont générées par un laser de type « seed » (l’oscillateur maître) qui sont ensuite amplifiées dans une étape ultérieure (l’amplificateur de puissance). La figure 1 montre un schéma typique d’un laser à fibre pulsée MOPA.

Figure 1 : Configuration typique d’un laser pulsé MOPA

Le laser « seed » à impulsions peut être un laser à diode ou un laser à fibre de faible puissance, généralement fabriqué à l’aide de fibres à simple gaine. Le rôle du laser « seed » est de générer les impulsions souhaitées, mais pas d’atteindre le niveau de puissance final. Pour cela, l’étape de l’amplificateur de puissance est conçue pour augmenter considérablement l’amplitude de puissance des impulsions entrantes. L’amplification est généralement réalisée à l’aide de fibres à double gaine, permettant le pompage par des diodes multimodes de haute puissance. Dans certains cas, cette amplification peut être effectuée en plusieurs étapes.

Avantages et restrictions

Les principaux avantages de l’utilisation d’une architecture MOPA pour un laser à fibre pulsée sont les suivants :

Contrôle précis des caractéristiques des impulsions : les impulsions originales sont générées par un laser de faible puissance, ce qui les rend plus faciles à moduler et à ajuster au niveau des formes d’impulsions.
Polyvalence et évolutivité : le même laser « seed » peut alimenter des systèmes avec différents niveaux de puissance, en ne changeant que l’étage d’amplification.
Rentabilité : les conceptions de lasers MOPA peuvent être beaucoup plus simples que celles d’autres types de lasers pulsés, en particulier si l’application requise ne nécessite qu’une seule forme d’impulsion et un taux de répétition spécifique.

Cette architecture laser présente une limitation majeure : il peut être difficile d’atteindre des longueurs d’impulsion très courtes, notamment parce que l’impulsion d’origine s’élargit au cours de l’amplification. Cette technologie est très bien adaptée aux impulsions de niveau nanoseconde, mais moins efficace pour les lasers à impulsions picoseconde et femtoseconde. Étant donné que des impulsions plus courtes produisent une puissance de crête plus élevée pour le même niveau d’énergie, les lasers MOPA ne peuvent pas atteindre les puissances de crête absolues les plus élevées.

Principales applications des lasers à impulsions MOPA

Traitement et transformation de surface : Exposer une surface à des impulsions laser peut modifier ses propriétés chimiques, créer des textures spécifiques, favoriser l’adhésion à certains composés ou la préparer pour le revêtement d’autres matériaux.

Marquage : Les lasers à impulsions peuvent être utilisés pour marquer divers matériaux, qu’il s’agisse de pièces métalliques ou même de produits alimentaires. Un aspect intéressant est que, selon le niveau de puissance, différentes couleurs peuvent être obtenues sur le même matériau. La flexibilité des lasers à fibre MOPA offre un grand avantage pour cette application.

Nettoyage : Comme discuté dans un précédent article de blogue, le nettoyage laser est une application à fort potentiel. Beaucoup de lasers utilisés pour le nettoyage sont pulsés, mais avec des durées d’impulsion plus longues. Les lasers à fibre MOPA permettent de concevoir des systèmes de nettoyage très efficaces et économiques. Des conceptions plus compactes sont également possibles, avec des systèmes portables devenant de plus en plus populaires.

D’autres applications incluent l’écaillage ou le décapage de revêtements et de peintures avec des lasers, le perçage de trous dans les métaux, ainsi que la découpe et le soudage de tôles, un domaine où les lasers continus sont plus souvent utilisés que les lasers pulsés.

Quelles fibres sont utilisées dans les lasers MOPA ?

La plupart des lasers industriels fonctionnent dans la gamme de longueurs d’onde de 1 µm, avec de nombreuses options de fibres disponibles. Les fibres ytterbium à double gaine sont particulièrement adaptées pour l’étage d’amplification de puissance de ces lasers. Selon les applications, différentes tailles de cœur de fibre sont nécessaires pour équilibrer la qualité du faisceau et la puissance maximale atteignable.

La gamme de fibres de phosphosilicate de Coractive est optimisée pour des performances supérieures dans les conceptions MOPA, avec des paramètres essentiels qui les différencient des fibres standards.

Absorption plus élevée – sur toute la gamme de longueurs d’onde de pompage de 900 à 1000 µm, les fibres de phosphosilicate présentent une absorption de gaine plus élevée que les fibres de verre d’aluminosilicate standard. Cette absorption élevée permet d’utiliser des fibres plus courtes, augmentant le seuil de puissance avant que des effets non linéaires ne se manifestent.

Figure 2 : Exemple typique de spectre d’absorption de la gaine pour une fibre standard par rapport à une fibre phosphosilicate. Dimensions de fibre similaire.

Énergie de saturation plus élevée – les fibres de verre de phosphosilicate ont une énergie de saturation environ deux fois supérieure à celle des fibres standard. Cela entraîne une réduction de la déformation des impulsions et contribue à augmenter le seuil des effets non linéaires.
Sortie stable à long terme – la composition chimique du cœur est optimisée pour fonctionner à pleine capacité sans photonoircissement.

La demande pour des puissances toujours plus élevées dans les lasers à fibre MOPA continuera d’augmenter avec le développement constant de nouveaux processus industriels et l’amélioration de la vitesse et de l’échelle de puissance des applications actuelles. Coractive peut vous aider à choisir la fibre qui convient à vos besoins et à concevoir des lasers à fibre MOPA optimaux. N’hésitez pas à vous renseigner auprès d’un membre de notre équipe !

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