Intérêt des sources laser à sécurité oculaire

État de l’art des sources

Lasers solides impulsionnelles dopées erbium pompées optiquement  architectures autour de l’ion erbium sont possibles. Tout d’abord, les lasers à fibre dopées erbium, dont la technologie est issue du monde des télécommunications² utilisent exclusivement des longueurs d’onde comprises entre 1,5 μm et 1,6 μm. Cette gamme correspond au minimum d’absorption de la silice, matière de base des fibres optiques. Cette architecture est très efficace grâce à l’excellent recouvrement entre la pompe et le signal laser à amplifier. Elle permet d’obtenir des faisceaux de très bonne qualité spatiale (limitée par la diffraction). Cependant, cette approche se montre limitée en énergie et en durée d’impulsion. En effet, à cause du confinement du signal dans la fibre optique sur un diamètre de quelques micromètres, les seuils des effets non-linéaires (Brillouin, Raman, lentille Kerr, etc.) peuvent rapidement être atteints ; typiquement à partir de quelques dizaines de microjoules pour des impulsions d’une durée de 10 ns. À l’inverse, les milieux à gain massifs en verres dopés erbium³ permettent d’émettre des énergies importantes (quelques millijoules), mais la faible conductivité thermique du verre empêche leur montée en puissance moyenne et limite l’efficacité totale de la source. Ainsi, concevoir un oscillateur dépassant 100 mW de puissance moyenne requiert des montages expéri-mentaux complexes [Bykov2008].

Les lasers solides à cristaux dopés erbium se situent entre ces deux solutions techniques. L’énergie en sortie est supérieure à celle des lasers à fibre puisque les sections des faisceaux traversant le cristal sont plus larges. La montée en puissance moyenne est plus facile qu’avec un milieu laser massif en verre grâce à leur meilleure conductivité thermique. Un cristal dopé erbium peut être optiquement pompé par différentes méthodes : par lampe flash [Skorczakowski2011], par une diode laser [Wang1992] ou bien par une autre radiation laser [Kim2009]. La dissipation thermique des lampes flash est compliquée à mettre en oeuvre, ce qui limite leur cadence de répétition, et donc la cadence de la source pompée. De plus, ces lampes émettent un spectre très large, ce qui rend ce type de pompe relativement peu efficace pour pomper des cristaux dont la largeur des raies d’absorption sont généralement fines. Cet état de l’art ne s’attarde donc pas sur les cavités pompées par lampe flash. Pour pomper optiquement un cristal d’Er:YAG avec une diode laser, on peut utiliser une diode InP (phosphure d’indium) à 1470 nm ou à 1532 nm. Puisque l’ion erbium présente des sections efficaces d’absorption et d’émission importantes (fig. 1.5) à 1532 nm, il est possible de pomper un cristal Er:YAG grâce à un laser à fibre dopée erbium. La qualité spatiale et à la finesse spectrale de ces faisceaux de pompe permet de concevoir des lasers solides dopés erbium avec de meilleures efficacités par rapport à un pompage direct par diode laser. Cependant, ces performances se font au prix d’une plus grande complexité, puisque trois étages optiques composent le laser final (diode laser!laser à fibre dopé erbium!laser solide erbium) au lieu de deux pour le pompage par diode laser (diode laser! laser solide erbium). Il convient donc de séparer l’état de l’art entre les lasers pompés par laser à fibre et ceux pompées directement par diode laser. Comme indiqué précédement (cf. 1.1), les sources continues ont un intérêt limité et ne sont pas représentées dans cet état de l’art.

Lasers à cristaux dopés erbium pompés par lasers à fibre

Déclenchement actif Ue des premiers résultats au delà du millijoule provient de D. Y. Shen et al. [Shen2006], où des impulsions de 4 mJ, 100 ns, 1 kHz à 1645 nm ont été obtenues grâce à un modulateur électro-optique avec un cristal Er:YAG. K. Spariosu et al. a obtenu la même année des résultats similaires à 1645 nm et a observé une chute de l’énergie d’un facteur deux lorsque l’émission de sa cavité était imposée à 1617 nm [Spariosu2006]. J. W. Kim et al. a établi le record en énergie pour une cavité pompée par laser à fibre et déclenchée activement avec des impulsions de 30.5 mJ, 20 ns, 20 Hz à 1645 nm [Kim2009] (fig. 1.6), avec un facteur de qualitéM2 (cf. annexe Facteur de qualité d’un faisceau laser) de 4,1. Pour certaines applications spécifiques, comme la détection et le dosage de méthane dans l’atmosphère [Fritsche2013, White1972], il peut être nécessaire de générer ou d’amplifier des impulsions à spectre fin. R. C. Stoneman et al. a amplifié des impulsions issues d’une diode monomode longitudinale à rétroaction répartie⁴ avec deux étages d’amplification, chacun pompé par un laser à fibre dopé erbium à 1532 nm et utilisant un cristal Er:YAG comme milieu à gain [Stoneman2007]. Ainsi, des impulsions de 470 μJ, 1.1 ns, 10 kHz à 1617 nm ont été générées. Des impulsions de 2.3 mJ, 90 ns, 100 Hz ont été obtenues six ans plus tard à l’aide d’un cristal Er:LuYAG pompé par deux lasers à fibre émettant 4 W chacun [Meissner2013]. L’émission monomode longitudinal à 1645 nm est assurée par l’injection dans la cavité d’un faisceau issu d’une diode laser DFB et le déclenchement actif est obtenu par un modulateur électro-optique (fig. 1.7).

Type de pompage

La pompage par diode laser est une solution plus abordable, robuste et miniaturisable que le pompage par laser à fibre qui nécessite un étage optique supplémentaire. De plus, les progrès technologiques de ces dernières années autour des diodes adaptées pour le pompage optique de cristaux dopés erbium ont permis la naissance de diodes de pompe fibrées toujours plus brillantes, permettant d’obtenir des efficacités optiques-optiques intéressantes. Pour un pompage par diode laser, deux longueurs d’onde sont possibles : 1532 nm ou 1470 nm, correspondant aux pics d’absorption de l’Er:YAG (fig. 1.5). Dans le cas où il est possible de contrôler la température de la diode de pompe, une source laser Er:YAG pompée à 1532 nm donnera de meilleurs résultats, dans la mesure où le pic d’absorption du cristal est plus important à cette longueur d’onde qu’à 1470 nm. Cependant, ce contrôle n’est pas toujours possible (comme dans le cadre du projet Minitélia) puisque faisant appel à des éléments forts consommateurs en énergie électrique (plaques Peltier, pompe à eau, etc.). Dans ce cas, les fluctuations thermiques de la diode laser ont pour conséquence le décalage de la longueur d’onde émise, pouvant faire chuter les performances de la cavité. Dans ce cas, il devient intéressant de pomper le cristal à 1470 nm puisque la sec tion efficace d’absorption de l’Er:YAG y est plus large, environ 15 nm contre 2 nm à 1532 nm (fig. 1.5). Les diodes à 1470 nm ou à 1532 nm à base d’InP présentent un décalage spectral avec la température de 0,7 nm/K. On peut alors espérer de bonnes performances sur un intervalle de température de 21° C en pompant à 1470 nm, au lieu de 3° C à 1532 nm. Puisque le projet Minitélia ne prévoit pas de contrôler la température de la diode, et requiert un fonctionnement sur un large intervalle de température entre -40 °C et +60 °C, la longueur d’onde de la pompe du prototype a été choisie à 1470 nm. Pour une consommation électrique totale maximale de 50 W, et étant donnés des rendements de ces diodes laser autour de 25%, la puissance optique de pompe est limitée à 15 W.

Choix des paramètres de la fibre cristalline

La figure 2.16 représente les courbes de tendance en énergie établies par la simulation numérique pour trois diamètres de fibre cristalline (400, 600 et 800 μm) en fonction du dopage du cristal de YAG en ions erbium et de sa longueur. L’énergie de 500 μJ requise par les spécifications techniques (cf. 1.5.2.1) semble accessible. Pour cela, la configuration la plus optimale est l’utilisation d’un cristal dopé 0,5%, d’une longueur entre 2 et 3 cm. Le confinement du faisceau de pompe entre les diamètres 800 μm et 400 μm ne fournit pas d’amélioration nette sur l’énergie des impulsions. En effet, à cause de la brillance de la diode laser de pompe utilisée, les conséquences du confinement restent faibles (fig. 2.17). Cependant, c’est une piste intéressante pour diminuer la durée des impulsions de quelques nanosecondes. En effet, le gain du cristal étant à priori plus important, le front le montée de l’impulsion est plus raide (fig. 2.18). Cependant, les durées des impulsions estimées restent supérieures aux durées souhaitées (environ 30 ns contre 10 ns). Deux diamètres sont retenus pour le projet : 800 μm comme objet d’étude, et 400 μm comme piste de réduction de la durée des impulsions.

Il n’existe à ce jour aucune publication utilisant un dopage de 0,75% ou plus. Cette tendance se retrouve sur la figure 2.16 où les énergies sont environ 20% plus faibles pour les dopages de 0,75% et 1%, et est souvent attribuée à l’upconversion qui augmente avec la densité de dopants (cf. Upconersion). La diminution du dopage de 0,5% à 0,25% peut améliorer les performances [Zhu2011], mais impose une longueur du cristal de plus de 5 cm, ce qui est incompatible avec l’exigeance de compacité du projet Minitélia. De plus, l’allongement de la longueur de la cavité n’est pas non plus souhaitable pour obtenir des impulsions de courtes durées. Un dopage de 0,5% semble donc être le bon compromis, pour lequel une longueur optimale est d’environs 3 cm (pour 14 W de pompe) quelque soit le diamètre de la fibre cristalline. Les gradients de dopage radial et longitudinal ont aussi été étudiés théoriquement. Mais ces gradients ne permettent pas d’augmenter significativement les performances de la source laser (cf. annexe Gradients de dopage). En conclusion, quatre cristaux sont retenus : deux diamètres (400 μm et 800 μm) et deux longueurs (2 cm et 3 cm), pour un dopage unique de 0,5%.