De la fabrication à la médecine, de la technologie quantique à la fusion nucléaire, les lasers sont à la base de nombreuses applications critiques. Toutefois, il devient de plus en plus difficile de les produire sans l’apport de terres rares et de cristaux en provenance de pays tiers. Les restrictions à l’exportation, les guerres et les politiques douanières restrictives pèsent non seulement sur l’industrie, mais menacent également la souveraineté technologique de l’Allemagne. Le Fraunhofer recherche des solutions de remplacement pour la croissance et le traitement des cristaux, ainsi que pour le développement des fibres de verre. Elles seront présentées au salon LASER à Munich du 24 au 27 juin.
La dépendance de l’Allemagne à l’égard de ces matières premières essentielles est apparue une nouvelle fois à la suite du différend douanier d’avril, lorsque la Chine a restreint les exportations d’éléments de terres rares et d’autres éléments vers les États-Unis et, par conséquent, vers l’Europe. L’industrie du laser, ainsi que d’autres entreprises de haute technologie et de défense, ressentent également les effets de la pénurie d’approvisionnement. En effet, ces éléments sont nécessaires pour les cristaux laser et les fibres laser actives en tant que milieu d’amplification pour générer un rayonnement laser, entre autres. Des matériaux d’une valeur de quelques centaines d’euros déterminent ainsi la fabrication de systèmes valant des centaines de milliers d’euros.
« Garantir la disponibilité de cristaux et de fibres laser adéquats et contrôler leur traitement est essentiel non seulement pour la compétitivité et l’indépendance des économies allemande et européenne, mais aussi pour notre sécurité », indique Marc Eichhorn, directeur de l’Institut Fraunhofer pour l’optronique, les technologies des systèmes et l’exploitation d’images IOSB à Ettlingen et Oberkochen. Le département Technologie laser, dirigé par Christelle Kieleck, y mène des recherches sur de nouvelles sources laser et des cristaux améliorés et plus puissants, ainsi que sur des composants à fibre optique, qui serviront de base au développement futur des systèmes laser. De la simulation et la conception de nouveaux matériaux aux démonstrateurs, l’institut couvre l’ensemble de la chaîne de valeur de la production laser.
Culture et traitement des cristaux laser et non linéaires
Les cristaux laser font partie intégrante de chaque laser. Ils amplifient la lumière en stockant l’énergie optique à des niveaux d’énergie plus élevés et, en fonction de leur dopage avec certains éléments de terres rares, la libèrent sous forme de rayonnement laser à des longueurs d’onde définies. Si aucun cristal laser n’est disponible pour certaines longueurs d’onde, une conversion à l’aide de matériaux optiques non linéaires (NLO) est possible. Grâce à leurs propriétés optiques, ces matériaux peuvent convertir les longueurs d’onde (et donc les couleurs) d’un faisceau laser, en divisant par deux, triplant ou même mélangeant plusieurs longueurs d’onde. Cela permet de modifier la lumière laser de manière contrôlée dans une plage définie, ce qui permet une interaction plus forte avec les matériaux, la détection de molécules spécifiques et une microscopie à plus haute résolution.
Les applications impliquant un rayonnement laser pouvant endommager les yeux, telles que les mesures de distance, peuvent être déplacées vers des plages de longueurs d’onde inoffensives à l’aide de NLO. Ces sources permettent donc de nouvelles applications dans les domaines de la technologie médicale, de l’analyse environnementale et de la défense.
Pour les cristaux laser et NLO, la qualité des cristaux disponibles a souvent été un facteur limitant. Après tout, tous les cristaux ne sont pas identiques : « Outre le dopage, la qualité optique et l’absorption ainsi que la conductivité thermique et les propriétés de polarisation des cristaux jouent un rôle décisif dans leurs performances », explique M. Eichhorn. Cela peut entraîner des différences de température au sein du cristal à des niveaux de performance plus élevés, ce qui affecte négativement l’efficacité et la qualité du faisceau. C’est pourquoi la culture et le traitement des cristaux laser constituent une véritable science en soi. « Cela nécessite une grande expertise. De nombreux processus ne peuvent pas être automatisés », ajoute Christelle Kieleck. « Les cristaux bruts doivent être coupés, meulés, polis, revêtus ou microstructurés. Cette méthode de traitement particulière est cruciale pour garantir l’efficacité et la résilience. C’est pourquoi nous devons maintenir et développer ces connaissances en matière de processus afin de pouvoir continuer à faire progresser la technologie. »
Les chercheurs simulent d’abord la composition des cristaux en variant progressivement le degré de dopage et les conditions de croissance afin d’améliorer leurs propriétés. Ils sont ensuite cultivés dans des fours spéciaux et examinés à l’aide de la diffraction des rayons X. Les pressions élevées et les exigences de sécurité constituent un défi pour le processus de production. En laboratoire, les composants optiques sont ensuite sciés à partir des cristaux, traités à l’aide de méthodes spécifiques et polis.
L’un des objectifs est d’utiliser certains processus pour augmenter le seuil de dommage, c’est-à-dire la robustesse du cristal lorsqu’il est exposé à un rayonnement laser. Pour y parvenir, les chercheurs du Fraunhofer IOSB ont mis en place un nouveau banc d’essai qui utilise les dernières technologies de mesure pour déterminer les seuils de dommage optique. Enfin, les sources sont testées dans des systèmes laser, qui sont à leur tour optimisés en fonction de la qualité et de la géométrie des cristaux.
Recherche sur les fibres de verre pour des fibres optiques personnalisées
Outre les cristaux et les matériaux NLO, les chercheurs développent également des fibres laser actives et de nouveaux composants de fibres pour des applications spécifiques, allant du traitement des matériaux à la chirurgie au laser. L’accent est mis ici sur le spectre des ondes courtes et de l’infrarouge moyen. Pour générer un rayonnement laser dans les lasers à fibre, dans lesquels le cœur dopé d’une fibre de verre sert de milieu actif, les chercheurs se concentrent sur les fibres de verre de quartz dopées aux terres rares et les fibres laser au fluorure.
« Sur notre nouveau site d’Oberkochen, nous produirons en interne des fibres haute performance personnalisées et robustes pour les lasers à faible volume, poids et consommation d’énergie », conclut M. Kieleck.
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