Laser à fibre femtoseconde visible : 1 W de puissance moyenne atteint

Les lasers à impulsions ultracourtes ont connu des progrès remarquables ces dernières années dans de nombreuses applications et domaines aussi variés que l’industrie, l’énergie et les sciences de la vie. Parmi les différentes plateformes laser développées, les oscillateurs à fibre femtoseconde se distinguent par leur design compact, leurs performances exceptionnelles et leur rentabilité.

Leurs longueurs d’onde de fonctionnement sont toutefois principalement limitées à la région infrarouge restreignant leur applicabilité dans de nombreux domaines nécessitant des sources de lumière dans le visible. L’extension des oscillateurs à fibre femtoseconde compacts à de nouvelles longueurs d’onde visibles est depuis longtemps un défi et un objectif ardemment poursuivi dans la science des lasers.

Les lasers à fibre visibles actuels

Actuellement, la majorité des lasers à fibre visibles utilisent des fibres fluorées dopées aux terres rares, comme le Pr3+, comme milieu de gain efficace. Au fil des années, des progrès remarquables ont été réalisés dans le développement de lasers à fibre visibles accordables en longueur d’onde, de haute puissance, à commutation Q et à verrouillage de modes.

Aussi, malgré les progrès significatifs dans la région proche infrarouge, le verrouillage de modes femtoseconde dans les lasers à fibre visibles reste une tâche exceptionnellement difficile. Ce défi est attribué au sous-développement des composants optiques ultrarapides aux longueurs d’onde visibles, à la disponibilité limitée de modulateurs visibles hautes performances et à la dispersion extrêmement normale rencontrée dans les cavités laser à fibre visibles.

L’attention s’est récemment portée sur les oscillateurs à fibre à verrouillage de modes femtoseconde dans le proche infrarouge utilisant un miroir à boucle amplificatrice non linéaire à polarisation (PB-NALM). Le PB-NALM élimine le besoin de longues fibres intracavitaires pour accumuler les déphasages. Cette innovation facilite non seulement la flexibilité d’accord et le fonctionnement à longue durée de vie, mais offre également la possibilité de gérer la dispersion intracavitaire dans un espace de paramètres plus large, des régimes de dispersion normale à anormale.

Par conséquent, on s’attend à ce qu’elle catalyse une percée dans le verrouillage de modes femtoseconde direct des lasers à fibre visibles et propulse les oscillateurs à fibre femtoseconde dans la bande visible.

Une nouvelle avancée dans les lasers à fibre femtoseconde visibles

Des chercheurs du Laboratoire du Fujian sur la technologie et les applications des lasers ultrarapides de l’Université de Xiamen ont récemment développé un oscillateur et un amplificateur à fibre à verrouillage de modes femtoseconde à lumière visible, comme rapporté dans Advanced Photonics Nexus.

L’oscillateur à fibre femtoseconde, qui émet une lumière rouge à 635 nm, utilise une configuration de cavité en forme de neuf. Il applique une fibre fluorée dopée au Pr3+ à double gaine comme milieu de gain visible, intègre un PB-NALM à longueur d’onde visible pour le verrouillage de modes et utilise une paire de réseaux de diffraction personnalisés à haute efficacité et haute densité de traits pour la gestion de la dispersion.

Un verrouillage de modes auto-démarrant visible établi par le PB-NALM produit directement des impulsions laser rouges avec une durée d’impulsion de 199 fs et un taux de répétition de 53,957 MHz à partir de l’oscillateur. Un contrôle précis de l’espacement de la paire de réseaux peut faire passer l’état d’impulsion d’un soliton dissipatif ou étiré à un soliton conventionnel.

De plus, un système d’amplification d’impulsions à dérive de fréquence construit à côté de l’oscillateur augmente considérablement les performances du laser, résultant en une puissance de sortie moyenne supérieure à 1 W, une énergie d’impulsion de 19,55 nJ et une durée d’impulsion déchirpée de 230 fs.

Le professeur Zhengqian Luo, chef du département d’ingénierie électronique de l’Université de Xiamen, précise : « Notre résultat représente une étape concrète vers des lasers à fibre femtoseconde de haute puissance couvrant la région spectrale visible et pourrait avoir des applications importantes dans le traitement industriel, la biomédecine et la recherche scientifique. »

Perspectives d’avenir

Les auteurs prévoient que leur nouveau schéma de génération de laser à fibre femtoseconde à lumière visible haute performance jettera les bases des lasers à fibre femtoseconde à lumière visible pour servir dans des applications telles que le traitement de précision des matériaux spéciaux, la biomédecine, la détection sous-marine et les horloges atomiques optiques.

Article by J. Zou, Q. Ruan, et al., “635 nm femtosecond fiber laser oscillator and amplifier,” Adv. Photon. Nexus 3(2) 026004 (2024), doi 10.1117/1.APN.3.2.026004