Un laser ultracompact promet 80% d’efficacité pour l’industrie, la médecine et la recherche

Les lasers qui émettent des impulsions lumineuses extrêmement courtes sont très précis et sont utilisés dans la fabrication, les applications médicales et la recherche. Le problème : les lasers à impulsions courtes efficaces nécessitent beaucoup d’espace et sont coûteux. Des chercheurs de l’université de Stuttgart ont mis au point un nouveau système en collaboration avec Stuttgart Instruments GmbH. Il est plus de deux fois plus efficace que les systèmes précédents, tient dans la paume de la main et est très polyvalent.

Un rendement de 80 % est possible

« Grâce à notre nouveau système, nous pouvons atteindre des niveaux de rendement qui étaient auparavant presque inaccessibles », explique le professeur Harald Giessen, directeur du 4e institut de physique de l’université de Stuttgart. À travers leurs expériences, les chercheurs ont démontré qu’il était fondamentalement possible d’atteindre un rendement de 80 % avec un laser à impulsions courtes. Cela signifie que 80 % de la puissance absorbée peut être réellement utilisée. « À titre de comparaison, les technologies actuelles n’atteignent qu’environ 35 %, ce qui signifie qu’elles perdent une grande partie de leur rendement et sont donc coûteuses », explique M. Giessen.

Beaucoup d’énergie en très peu de temps

Les lasers à impulsions courtes génèrent des impulsions lumineuses qui ne durent que quelques nano-pico ou femtosecondes (c’est-à-dire quelques milliardièmes à quadrilliardièmes de seconde). Cela leur permet de concentrer une grande quantité d’énergie sur une petite surface en un temps extrêmement court. Un laser de pompage et le laser qui émet les impulsions courtes fonctionnent ensemble.

Le laser de pompage alimente un cristal spécial en énergie lumineuse. Ce cristal est au cœur du processus et transfère l’énergie du laser de pompage à l’impulsion de signal ultra-courte. Cela convertit les particules de lumière entrantes en lumière infrarouge. Cela permet de réaliser des expériences, des mesures ou des processus de production qui ne sont pas possibles avec la lumière visible. Les lasers à impulsions courtes sont utilisés dans la production, par exemple pour le traitement précis et délicat des matériaux. Ils sont également utilisés dans la technologie médicale pour les processus d’imagerie ou dans la recherche quantique pour des mesures particulièrement précises au niveau moléculaire.

Synchroniser l’amplification laser et la bande passante

« La conception efficace de lasers à impulsions courtes reste un défi à relever », indique le Dr Tobias Steinle, auteur principal de l’étude. « Afin de générer des impulsions courtes, nous devons amplifier le faisceau lumineux entrant et couvrir une large gamme de longueurs d’onde. »

Jusqu’à présent, il n’était pas possible de combiner ces deux propriétés simultanément dans un système optique petit et compact. Les amplificateurs laser à large bande passante nécessitent des cristaux spéciaux particulièrement courts et fins. Les amplificateurs efficaces, en revanche, nécessitent des cristaux particulièrement longs. La connexion en série de plusieurs cristaux courts est un moyen possible de combiner les deux. Cette approche est déjà à l’étude dans le domaine de la recherche. La clé est de s’assurer que les impulsions du laser de pompage et du laser de signal restent synchronisées.

Nouveau concept multipasse

Les chercheurs ont désormais résolu ce problème grâce à une nouvelle procédure multipasse. Au lieu d’utiliser un seul cristal long ou plusieurs cristaux courts, ils utilisent un seul cristal court et font passer les impulsions lumineuses à plusieurs reprises à travers ce cristal dans leur amplificateur optique paramétrique. Entre deux passages à travers le cristal, les impulsions séparées sont réalignées avec précision afin de rester synchronisées. Le système peut générer des impulsions de moins de 50 femtosecondes, n’occupe que quelques centimètres carrés et ne comprend que cinq composants.

Très polyvalent

« Notre système multipasse démontre qu’il n’est pas nécessaire de sacrifier la bande passante pour obtenir des rendements extrêmement élevés », ajoute M. Steinle. « Il peut remplacer les systèmes laser volumineux et coûteux à forte perte de puissance qui étaient auparavant nécessaires pour amplifier les impulsions ultra-courtes. »

Le nouveau système est très polyvalent et peut être adapté à d’autres gammes de longueurs d’onde au-delà de la lumière infrarouge, ainsi qu’à différents systèmes cristallins et durées d’impulsion. Avec ce concept, les chercheurs visent à construire des lasers petits, légers, compacts, portables et accordables, capables d’ajuster précisément les longueurs d’onde. Ils voient des domaines d’application potentiels dans la médecine, l’analyse, la technologie des capteurs de gaz et la recherche environnementale.

Source : Stuttgart U.