Des chercheurs allemands ont mis au point de puissants systèmes laser à fibre de thulium qui doublent presque le précédent record mondial de performance. Cette technologie jette les bases de lasers à haute puissance encore plus performants.
Les lasers à fibre de haute puissance constituent un outil polyvalent pour de nombreuses applications technologiques, telles que le traitement des matériaux ou la communication en espace libre. Le choix de la bonne gamme spectrale joue un rôle décisif, en particulier sur les longues distances – de la terre aux satellites, par exemple. La région spectrale supérieure à 2030 nm est considérée comme particulièrement adaptée, car les pertes atmosphériques y sont faibles et la lumière laser est relativement inoffensive pour les yeux.
Les chercheurs du l’Institut Fraunhofer d’optique appliquée et d’ingénierie de précision (IOF) ont franchi une étape importante dans ce domaine : ils ont mis au point un système composé de trois lasers à fibre de thulium de haute puissance qui émettent de la lumière dans la gamme spectrale 2030-2050 nm et atteignent une puissance de sortie de 1,91 kW. Presque deux fois plus que les systèmes conventionnels (~1,1 kW) – un record de performance.
Des avancées technologiques pour une évolutivité durable
Les chercheurs d’Iéna s’appuient à présent sur leurs résultats antérieurs et poursuivent le développement de la technologie. « Notre objectif est d’optimiser la base technologique afin d’atteindre le prochain niveau de performance avec des sources individuelles fiables », indique le Dr Till Walbaum, chef de groupe pour la technologie laser au Fraunhofer IOF.
Le principe de la combinaison de faisceaux spectraux (SBC) est essentiel à cet égard. Dans ce processus, des faisceaux laser de différentes longueurs d’onde sont dirigés sur des réseaux de réflexion optique spéciaux à des angles adaptés. La diffraction combine les faisceaux laser en un seul faisceau. Cela permet non seulement d’augmenter les performances du système laser à fibre, mais aussi de préserver la qualité du faisceau et donc la bonne capacité de focalisation du faisceau laser.
La technologie de connexion et les grilles uniques permettent des performances élevées
Les systèmes précédents atteignent leurs limites physiques à des niveaux de puissance élevés, notamment en raison de la surchauffe causée par la faible efficacité des combinaisons et des lasers. L’équipe du Fraunhofer IOF a résolu ces problèmes grâce à de nouvelles sources individuelles plus efficaces et à des systèmes de refroidissement améliorés. En particulier, une technique de connexion spéciale pour les fibres, connue sous le nom d’« épissage à froid », permet un couplage fibre-fibre à faible perte et une régulation efficace de la température.
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Un autre élément clé est un réseau de diffraction spécialement mis au point, dont l’efficacité est supérieure à 95 % et qui présente d’excellentes performances thermiques. « Le réseau combiné est le cœur de notre système », explique Friedrich Möller, scientifique au département de technologie laser du Fraunhofer IOF.
« Jusqu’à présent, les éléments de combinaison optique tels que les réseaux et les miroirs dichroïques pour les longueurs d’onde autour de 2 µm n’étaient disponibles que pour des puissances laser de quelques centaines de watts. Cependant, nos collègues de l’institut ont mis au point un réseau de diffraction spécial qui fonctionne parfaitement dans la région des multikW sous des paramètres difficiles. Il permet une combinaison de faisceaux à faible perte avec des rendements globaux supérieurs à 90 % et constitue la base de nos prochaines avancées en matière de performances », précise M. Möller.
« Nous avons créé les conditions technologiques nécessaires à la réalisation de systèmes laser encore plus performants et fiables. Le prochain grand défi est maintenant d’atteindre le niveau de 20 kW », ajoute Till Walbaum à propos du potentiel futur de la technologie.
De nouvelles possibilités pour le traitement des matériaux, la médecine et la communication Les lasers à fibre de thulium très performants qui ont été mis au point ouvrent un large champ d’applications, notamment pour les procédures médicales, le traitement des polymères et la transmission optique de données. Un avantage important de ces lasers est l’amélioration de la sécurité oculaire. La lumière diffusée d’une longueur d’onde de 2 µm est absorbée par la cornée et n’atteint pas la rétine sensible, ce qui permet une utilisation plus sûre dans les applications industrielles et médicales.
Légende illustration : Trois faisceaux individuels parallèles sont combinés en un faisceau laser d’une puissance record de 1,91 kW au moyen de réseaux de réflexion décalés en hauteur. © Fraunhofer IOF
