Lasers à fibres pulsés femtoseconde: «Ultrafast»

La catégorie de lasers à fibre femtoseconde nous emmène dans le monde très compliqué des lasers ultra-rapides. Les lasers ultra-rapides ont généralement des durées d’impulsion de 10 femtosecondes à 10 picosecondes.
Ces sources présentent désormais un intérêt majeur pour de nombreuses applications d’interaction laser-matière car l’effet laser-matière est «athermique». La matière est directement transformée de l’état solide à l’état plasma sans passer par l’état liquide. Cela permet un usinage à très haute résolution et est maintenant largement utilisé dans les industries des semi-conducteurs, de la chirurgie oculaire et des smartphones.

Rofin femtosecond laser 660 Mégawatts

Cette tête laser était montée dans un laser Star Femto FX de la société ROFIN (COHERENT)
Elle a été fabriquée par la société RAYDIANCE également rachetée par COHERENT.
Cette tête laser est une des technologies les plus complexe de laser femtoseconde de table. (une quarantaine de brevets protègent cette tête laser.
Sa principal application est le micro-usinage de n’importe quel matériau sans échauffement.
Il produit 100’000 pulses par seconde de 660 Mégawatts  ayant une durée de 300fs avec une puissance moyenne de 20W !

Le principe du verrouillage de mode est à la base de l’oscillateur du seeder :

Le principe de Heisenberg stipule que le produit de la largeur de bande spectrale d’amplification et de la durée d’impulsion ne peut pas descendre en dessous d’une valeur donnée. En d’autres termes, des impulsions ultra-courtes signifient une large bande passante d’émission spectrale. La centaine de femtosecondes signifie la dizaine de nm de largeur de bande spectrale. Les lasers ultra-courts ont toujours une large bande passante d’émission avec de nombreux modes de cavité.
La transformée de Fourier d’un peigne de modes d’émission donné ne donne une impulsion ultra-courte que lorsque les différents modes sont tous en phase. Par conséquent, la fabrication d’un laser à impulsions ultracourtes consiste à construire une large cavité d’amplification et à ajouter certains éléments pour que les modes de la cavité soient en phase en modulant les pertes à l’intérieur de la cavité. Des modulateurs actifs tels qu’un AOM (Acousto-Optic Modulator) ou un EOM (Electro-Optic Modulator) peuvent être utilisés. Les versions passives comme le SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Media) sont généralement la meilleure solution pour construire un oscillateur ultra-rapide basé sur un laser à fibre industrielle.
Les cavités verrouillées en mode ont une relation directe entre la longueur de la cavité et le taux de répétition des impulsions ultra-courtes. Les oscillateurs à verrouillage de mode typiques ont une fréquence de répétition des impulsions dans la plage de 1 à 100 MHz.
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1) Architecture générale (CPA — chirped pulse amplification)

Le StarFemto FX est conçu selon le procédé standard CPA (Chirped Pulse Amplification). Les étapes sont typiquement :

  1. Oscillateur (seed / mode-locked)

    • Un oscillateur femtoseconde stabilisé fournit des impulsions courtes (fs) à faible énergie et répétition réglable.

    • Sur les systèmes industriels fibre-couplés comme le StarFemto FX, l’oscillateur est souvent un oscillateur à fibre (mode-locked) ou un oscillateur solide couplé en fibre servant de source de départ.

  2. Étireur (stretcher)

    • Les impulsions sorties de l’oscillateur sont étirées temporellement (on diminue la puissance de crête instantanée et on augmente la durée de l’impulsion) afin d’éviter les non-linéarités et la rupture optique pendant l’amplification.

    • L’étireur peut être à fibres chirpées (fiber stretcher) ou à réseau de diffraction/grémiques ; pour des architectures entièrement fibre-couplées on trouve souvent des solutions à fibre ou hybrides.

  3. Chaîne d’amplification (amplifier)

    • Plusieurs étages d’amplification amplifient l’impulsion étirée : pré-amplificateur(s) puis ampli de puissance final.

    • Dans la gamme StarFemto FX, les amplificateurs sont Yb-dopés (Yb-fibre ou solide Yb) ou des chaînes fibre-couplées, conçus pour délivrer des énergies d’impulsion élevées (µJ à centaines µJ) tout en conservant une bonne qualité spatiale.

    • L’architecture typique reste fibre-couplée / fibre-amplifiée pour fiabilité industrielle.

  4. Compresseur

    • Après amplification, les impulsions sont recompressées pour revenir à la durée femtoseconde souhaitée (ou variable jusqu’à quelques ps selon l’application).

    • Les compresseurs sont souvent des paires de réseaux de diffraction (gratings) ou des compresseurs à réseau de fibre selon le design. Le réglage du compresseur permet d’ajuster la durée d’impulsion (et la chirp résiduel).

En résumé : Oscillateur mode-locked → étireur (temporal chirp) → multi-étages d’amplification (Yb/fibre) → compresseur (gratings ou design fibre) → sortie (option de génération des 2e/3e harmoniques pour 515 nm / 343 nm).