Les chercheurs ont développé le premier laser à fibre capable de produire des impulsions femtosecondes dans le domaine visible du spectre électromagnétique. Crédit : Jérôme Lapointe
Les progrès technologiques jettent les bases de lasers ultrarapides fiables et compacts pour les applications biomédicales et bien plus encore.
Des chercheurs ont récemment développé le premier laser à fibre capable de produire des impulsions femtosecondes dans le domaine visible du spectre électromagnétique. Cette avancée offre un potentiel pour diverses applications biomédicales et de traitement des matériaux. La caractéristique unique de ces lasers est leur capacité à produire des impulsions de longueur d’onde visible ultracourtes et brillantes, une avancée significative dans la technologie laser.
Surmonter les défis du développement des lasers à fibre
Historiquement, obtenir des impulsions femtosecondes visibles nécessitait des configurations complexes et intrinsèquement inefficaces. Bien que les lasers à fibre représentent une alternative très prometteuse en raison de leur robustesse/fiabilité, de leur faible encombrement, de leur efficacité, de leur moindre coût et de leur haute luminosité, il n’a pas été possible, jusqu’à présent, de produire des impulsions visibles d’une durée de l’ordre de la femtoseconde (10-15 s) portée directement avec de tels lasers.
« Notre démonstration d’un laser à fibre femtoseconde fonctionnant dans le spectre visible ouvre la voie à une nouvelle classe de lasers ultrarapides fiables, efficaces et compacts », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Réal Vallée de l’Université Laval au Canada.
Détails techniques du nouveau laser à fibre
Les chercheurs décrivent leur nouveau laser, basé sur une fibre de fluorure dopée au lanthanide, dans la revue Optica Publishing Group. Lettres d’optique. Émettant une lumière rouge à 635 nm, le laser produit des impulsions compressées d’une durée de 168 fs, une puissance maximale de 0,73 kW et un taux de répétition de 137 MHz. L’utilisation d’une diode laser bleue commerciale comme source d’énergie optique, ou source de pompe, a contribué à rendre la conception globale robuste, compacte et rentable.
L’équipe de recherche comprenait Réal Vallée, Marie-Pier Lord et Michel Olivier ainsi que Martin Bernier qui n’est pas sur la photo. Crédit : Jérôme Lapointe
« À condition que des énergies et des puissances plus élevées puissent être atteintes dans un avenir proche, de nombreuses applications pourraient bénéficier de ce type de laser », a déclaré Marie-Pier Lord, doctorante impliquée dans le projet. « Les applications potentielles incluent l’ablation de haute précision et de haute qualité de tissus biologiques et l’ablation à deuxphoton microscopie d’excitation. Les impulsions laser femtoseconde permettent également une ablation à froid pendant le traitement du matériau, un processus qui permet de réaliser des coupes beaucoup plus nettes (que des impulsions plus longues) car il ne produit pas d’effets thermiques.
Extension de la gamme spectrale des lasers à fibre
Dans un laser à fibre, une fibre optique dopée avec des éléments de terres rares fait office de milieu laser. Bien que les lasers à fibre comptent parmi les systèmes laser à haute luminosité les plus simples, les plus robustes et les plus fiables, l’utilisation de fibres de silice a tendance à les limiter à la région spectrale proche infrarouge. Le groupe de Vallée a travaillé pour étendre la gamme spectrale de ces sources laser en utilisant des fibres fabriquées à partir de fluorure au lieu de silice.
« Auparavant, nous nous concentrions sur le développement de lasers à fibre infrarouge moyen, mais nous nous sommes récemment intéressés aux lasers à fibre visible », a déclaré Lord. « Bien que le manque de sources de pompage compactes et efficaces pour de tels lasers ait longtemps entravé leur développement, l’avènement récent de sources laser à semi-conducteurs fonctionnant dans le spectre bleu a fourni une technologie clé pour le développement de lasers à fibre visible efficaces. »
Après avoir démontré des lasers à fibre émettant des longueurs d’onde visibles en continu, les chercheurs ont souhaité étendre cette avancée aux sources pulsées ultrarapides. Grâce au perfectionnement du procédé de fabrication des fibres fluorées, il est désormais possible d’obtenir des fibres dopées aux lanthanides dont les propriétés sont essentielles au développement de lasers à fibre visible efficaces.
Innovations et orientations futures
Le nouveau laser à fibre pulsée développé par l’équipe de Vallée combine une fibre de fluorure dopée au lanthanide avec un laser à pompe à diode bleue disponible dans le commerce. Pour créer et maintenir une sortie pulsée, les chercheurs ont également dû trouver comment gérer avec soin la polarisation de la lumière dans la fibre.
« Le développement d’un laser à une nouvelle longueur d’onde, où les propriétés matérielles des composants optiques sont différentes de celles utilisées auparavant, peut parfois s’avérer délicat », a déclaré le co-auteur Michel Olivier. « Cependant, nos expériences ont montré que les performances de notre laser étaient en excellent accord avec nos simulations. Cela a confirmé que le système se comportait bien et était bien compris, et que les paramètres importants du système étaient caractérisés correctement et bien adaptés aux lasers pulsés, en particulier les propriétés de la fibre optique que nous avons utilisée.
Ensuite, les chercheurs souhaiteraient améliorer la technologie en rendant l’installation complètement monolithique, ce qui signifie que les composants optiques individuels à fibre amorce seraient tous directement liés les uns aux autres. Cela réduirait les pertes optiques de l’installation, améliorerait l’efficacité et rendrait le laser plus fiable, compact et robuste. Ils étudient également différentes pistes pour améliorer l’énergie d’impulsion, la durée d’impulsion et la puissance moyenne du laser.
