• Lasers à fibre nanoseconde MOPA

Une diode laser  » seed  » à, par exemple, 1064 nm est pulsée par un circuit électronique spécialisé qui va pulser rapidement le courant  avant d’être amplifiée avec plusieurs étages de fibres actives. Un étage d’amplification typique génère entre 10 et 20 dB de gain. Au-dessus de ce niveau de gain, certains effets indésirables ASE (Amplified Spontaneous Emission) amplifient les longueurs d’onde indésirables. Il est donc souhaitable d’avoir un amplificateur à plusieurs étages avec des filtres ASE entre chaque étage au lieu de maximiser le gain d’amplification d’un étage donné.

Effet de commutation de gain de diode laser : lors de l’application de courant à une diode laser, une certaine quantité d’énergie est stockée dans le milieu à gain. Cette énergie est ensuite réalisée sous la forme d’une impulsion courte à la partie initiale de l’impulsion (plage picoseconde). Cette impulsion est typiquement de l’ordre d’une durée d’impulsion de 100 ps. Cette impulsion courte peut être considérée comme une opportunité, par exemple lorsque vous essayez de produire une impulsion très courte, ou comme un problème lorsque vous envisagez d’amplifier des impulsions de la gamme nanoseconde jusqu’à des niveaux d’énergie élevés.

Effets non linéaires de la fibre: les amplificateurs à fibre concentrent la lumière dans un coeur de petit diamètre ce qui augmente la densité de puissance jusqu’à des niveaux très élevés. Cela peut devenir un problème majeur lorsque l’on considère des puissances de crête d’impulsion élevées, car de nombreux effets optiques non linéaires apparaissent au-dessus d’un certain niveau de puissance de crête et de densités spectrales. Ces effets, comme le SBS (Stimulated Brillouin Scattering) ou le SRS (Stimulated Raman Scattering), ont tendance à élargir à la fois le spectre d’émission et la durée des impulsions. SBS est un effet qui dépend de manière non linéaire de la densité spectrale. Choisir un seeder d’émission plus large et éviter les DFB à largeur spectrale étroite peut être un bon choix pour atteindre des puissances de crête plus élevées lors de l’utilisation d’impulsions nanosecondes. Une autre solution consiste à utiliser un modulateur de phase EOM (électro-optique). Cela élargit le spectre d’émission tout en conservant la belle stabilité spectrale d’un DFB.

Le redENERGY G4 20 W est un laser à fibre dopée ytterbium nanoseconde, pompé par diodes, dans lequel l’impulsion est façonnée électroniquement puis amplifiée dans une fibre active jusqu’à obtenir quelques dizaines de watts moyens et plusieurs kW de puissance crête.

Architecture générale

  • Source de pompage : des diodes laser de puissance injectent leur lumière dans la gaine interne d’une fibre à double gaine, qui contient le dopage ytterbium.
  • Milieu actif : la fibre dopée joue à la fois le rôle de milieu amplificateur et de guide d’onde, ce qui permet une très bonne qualité de faisceau et une excellente stabilité.
  • Cavité / module G4 : l’ensemble forme un oscillateur‑amplificateur entièrement fibré, sans optique libre, encapsulé dans le module OEM redENERGY G4.

Fonctionnement laser à fibre dopée Yb

  • Les diodes pompent les ions Yb dans la fibre, créant une inversion de population sur une transition autour de 1060 nm.
  • Le faisceau « seed » (ou l’oscillateur interne) est guidé dans le cœur de la fibre et est amplifié par émission stimulée le long de la fibre dopée.
  • La structure à double gaine maximise l’absorption du pompage tout en conservant un mode fondamental bien défini dans le cœur pour l’émission.​

Mode pulsé et PulseTune

  • Le G4 est un laser nanoseconde pulsé : la puissance moyenne est 20 W, mais chaque impulsion peut atteindre plusieurs kW de puissance crête (par ex. >7–10 kW selon le type de faisceau) avec des énergies d’impulsion de l’ordre du mJ ou sous‑mJ.
  • La technologie PulseTune permet de sélectionner des « formes d’onde » prédéfinies : chaque waveform correspond à une durée d’impulsion (≈ 3 à 500 ns pour les versions standard, étendu jusqu’à 2000 ns selon la série) et à une plage de fréquence optimisée.
  • Pour chaque waveform, l’électronique interne ajuste la dynamique de pompe et de modulation pour maintenir une puissance crête élevée quand on augmente la fréquence de répétition (jusqu’à plusieurs centaines de kHz, voire 4 MHz pour certaines versions EP).

Paramètres typiques d’un G4 20 W

  • Longueur d’onde : ~1060 nm, typique des lasers à fibre Yb pour marquage, gravure, ablation.
  • Puissance moyenne nominale : 20 W, distribuée sur le train d’impulsions (Pmoy = Eimp × frep).
  • Plage de fréquence : typiquement 1 kHz à 500 kHz ou 1 MHz selon la version (RM/HS/EP).
  • Durée d’impulsion ajustable : quelques ns à quelques centaines de ns via les waveforms PulseTune.
  • Options de qualité de faisceau : S, Z, L, H, M (du quasi monomode M² < 1,3 au multimode M² ≈ 4–6), ce qui permet de choisir entre micro‑usinage fin, marquage standard, large spot, soudage/nettoyage.

Exemples d’impact des choix de paramètres

  • Faible durée d’impulsion (~10 ns), basse fréquence : puissance crête élevée, ablation nette, forte contrainte thermique locale mais zone affectée limitée, adapté aux gravures fines et micro‑perçages.

  • Durée plus longue (centaines de ns) et fréquence haute (centaines de kHz–MHz) : puissance crête plus faible mais dépôt d’énergie plus continu, intéressant pour le noircissement, le recuit ou certaines applications de nettoyage.

La technologie PulseTune est, en substance, un contrôle électronique fin de la forme d’impulsion et de la gestion de la pompe, qui permet au laser de proposer plusieurs « familles » d’impulsions (waveforms) optimisées pour différents régimes de fréquence, tout en maintenant autant que possible une puissance crête élevée.

Idée de base

Dans un laser à fibre nanoseconde classique, si tu montes simplement la fréquence en gardant la même énergie par impulsion, la puissance moyenne grimpe vite et tu te heurtes aux limites thermiques/électriques, donc l’électronique doit réduire l’énergie par pulse et la puissance crête s’effondre.
PulseTune contourne ce problème en pré‑définissant des profils de commande (waveforms) qui pilotent la pompe et/ou le seed de manière différente selon la fréquence demandée, pour garder un compromis « énergie par impulsion / puissance crête / stabilité / bruit » adapté.

Waveforms PulseTune

Chaque waveform correspond à un « mode de fonctionnement » interne :

  • une durée d’impulsion cible (par ex. courte, moyenne, longue) ;
  • une plage de fréquences où le laser reste dans ses conditions optimales (énergie max, stabilité, point de fonctionnement thermique) ;
  • des paramètres internes (rampe de pompe, forme temporelle du gating, gestion de la pré‑excitation de la fibre).

Quand tu sélectionnes une waveform, tu ne changes pas seulement la largeur de pulse affichée au front‑end, tu bascules vers un profil complet d’excitation du laser, calibré en usine.

Gestion de la pompe et de l’inversion

Le cœur de PulseTune, c’est la façon de gérer l’inversion de population dans la fibre dopée :

  • À basse fréquence, la fibre a le temps de se « recharger » entre deux impulsions, donc on peut viser des pulses courts avec forte puissance crête.
  • À fréquence plus élevée, la re‑pompe entre pulses est incomplète ; sans stratégie, l’énergie par pulse baisse et la forme peut se dégrader.

PulseTune adapte donc le timing et la puissance de pompe (et éventuellement un pré‑bias) pour :

  • préparer un niveau d’inversion cohérent avec la durée/énergie cible de l’impulsion ;
  • éviter les sur‑ et sous‑charges de la fibre, qui donneraient des pulses instables, du pré‑lasing ou du jitter ;
  • lisser le comportement quand tu changes la fréquence de répétition à l’intérieur de la plage prévue pour la waveform.