1. Introduction La recherche sur les lasers à fibre dopés utilisant des milieux à gain remonte aux années 1960, lorsque Snitzer a rapporté en 1963 la création d'un laser à fibre avec des ions néodyme (Nd3+) dopés dans une matrice de verre. Depuis les années 1970, des progrès significatifs ont été réalisés dans la technologie de préparation des fibres et l'exploration de la pompe et de la cavité résonante [...]
Les recherches sur les lasers à fibre dopés utilisant des milieux à gain remontent aux années 1960, lorsque Snitzer a rapporté en 1963 la création d'un laser à fibre avec des ions néodyme (Nd3+) dans une matrice de verre.
Depuis les années 1970, des progrès significatifs ont été réalisés dans la technologie de préparation des fibres et dans l'exploration des structures de pompe et de cavité résonnante pour les lasers à fibre.
Au milieu des années 1980, une percée a été réalisée dans le domaine des fibres dopées (Er3+) à l'université de Southampton, au Royaume-Uni, a considérablement amélioré l'aspect pratique des lasers à fibre, avec des perspectives d'application très prometteuses.
Par rapport aux lasers solides et à gaz traditionnels, les lasers à fibre présentent de nombreux avantages uniques, tels que la haute qualité du faisceau, la petite taille, la légèreté, l'absence de maintenance, le refroidissement par air, la facilité d'utilisation, le faible coût d'exploitation et l'utilisation à long terme dans des environnements industriels.
Ils offrent également une grande précision de traitement, une vitesse rapide, une longue durée de vie, des économies d'énergie et une excellente flexibilité en matière d'intelligence et d'automatisation. C'est pourquoi ils ont remplacé les lasers YAG et CO2 traditionnels dans de nombreux domaines.
La longueur d'onde de sortie des lasers à fibre se situe entre 400 et 3400 nm, et s'applique à divers domaines tels que le stockage optique de données, la communication optique, la technologie des capteurs, la spectroscopie et les applications médicales.
Actuellement, les lasers à fibre dopée, les lasers à fibre à réseau de Bragg, les lasers à fibre à largeur de raie étroite accordables et les lasers à fibre à double enveloppe de grande puissance connaissent un développement rapide.
Le laser à fibre se compose principalement de trois parties : le milieu à gain qui peut générer des photons, la cavité optique résonante qui permet la rétroaction des photons et l'amplification résonante dans le milieu à gain, et la source de pompage qui peut exciter le milieu laser.
La structure de base du laser à fibre est illustrée à la figure 2.1.
Le milieu de gain est un noyau de fibre dopé avec des ions de terres rares. La fibre dopée est placée entre deux miroirs dont la réflectivité est sélectionnée. La lumière de pompage est couplée dans la fibre à partir du miroir gauche du laser à fibre et sort la lumière laser à travers un système optique de collimation et un filtre.
Théoriquement, la source de pompage et la fibre de gain sont les composants essentiels du laser à fibre, et la cavité résonante n'est pas indispensable. La sélection de mode de la cavité résonante et l'allongement du milieu de gain ne sont pas nécessaires dans les lasers à fibre car la fibre elle-même peut être très longue, ce qui permet d'obtenir un gain à passage unique très élevé, et l'effet de guide d'ondes de la fibre peut jouer un rôle de sélection de mode.
Toutefois, dans les applications pratiques, on préfère généralement utiliser des fibres plus courtes, de sorte que dans la plupart des cas, une cavité résonnante est utilisée pour introduire une rétroaction.
Grâce à leur structure en guide d'ondes, les lasers à fibre peuvent supporter un pompage important et ont un gain élevé (gain à un seul passage jusqu'à 50 dB). Les éléments de terre rare dans la matrice de verre ont une large bande passante et une gamme d'accord (Yb3+ est de 125nm, Tm3+ >300nm).
Les caractéristiques spécifiques sont les suivantes :
1) La fibre sert de guide d'ondes, offrant une grande efficacité de couplage, un petit diamètre de cœur et une facilité à former une densité de puissance élevée à l'intérieur de la fibre. Elle peut être facilement connectée aux systèmes de communication par fibre optique actuels. Les lasers qui en résultent ont un rendement de conversion élevé, un seuil laser bas, une excellente qualité de faisceau et une largeur de ligne étroite.
2) Compte tenu du rapport élevé "surface/volume" de la fibre, elle a une bonne dissipation de la chaleur. La température ambiante peut varier de -20 à 70℃, ce qui élimine le besoin d'un grand système de refroidissement à l'eau et ne nécessite qu'un simple refroidissement à l'air.
3) Le laser à fibre peut fonctionner dans des conditions difficiles, telles que des chocs importants, des vibrations élevées, des températures élevées et des conditions poussiéreuses.
4) Grâce à l'excellente flexibilité de la fibre, le laser peut être conçu pour être assez petit et flexible, avec une forme compacte et un petit volume, ce qui facilite l'intégration du système et offre un rapport performance-prix élevé.
5) Le laser à fibre possède un grand nombre de paramètres accordables et de sélectivité, ce qui lui permet de couvrir une large gamme d'accord, une excellente monochromaticité et une grande stabilité. Il a une longue durée de vie de la pompe, avec un temps de fonctionnement moyen sans défaut de 10 heures ou même plus de 100 heures.
Les lasers à fibre actuellement développés utilisent principalement des fibres dopées avec des éléments de terre rare comme support de gain.
Le principe de fonctionnement du laser à fibre est le suivant : la lumière de la pompe est incidente sur la fibre dopée à travers le réflecteur frontal (ou réseau frontal), et les ions de terres rares qui ont absorbé l'énergie du photon subissent des transitions de niveau d'énergie, réalisant ainsi une "inversion du nombre de particules".
Les particules inversées retournent à l'état fondamental sous forme de rayonnement après relaxation, libérant simultanément de l'énergie sous forme de photons et émettant le laser à travers le réflecteur arrière (réseau arrière).
L'amplificateur à fibre dopé avec des éléments de terre rare a favorisé le développement des lasers à fibre, car les amplificateurs à fibre peuvent former des lasers à fibre grâce à des mécanismes de rétroaction appropriés.
Lorsque la lumière de la pompe traverse les ions de terre rare dans la fibre, elle est absorbée par les ions de terre rare. À ce moment-là, les atomes de terres rares qui absorbent l'énergie des photons sont excités à un niveau d'énergie plus élevé, ce qui permet de réaliser l'inversion du nombre d'ions.
Le nombre d'ions inversés passe du niveau d'énergie élevé à l'état fondamental sous la forme d'un rayonnement et libère de l'énergie, ce qui complète le rayonnement stimulé. Le mode de rayonnement de l'état excité à l'état fondamental est de deux types : le rayonnement spontané et le rayonnement stimulé.
Parmi eux, le rayonnement stimulé est un rayonnement de même fréquence et de même phase, qui peut former un laser très cohérent. L'émission laser est un processus physique où le rayonnement stimulé dépasse largement le rayonnement spontané.
Pour que ce processus se poursuive, une inversion du nombre d'ions doit être formée. Par conséquent, les niveaux d'énergie impliqués dans le processus doivent être supérieurs à deux, et il doit également y avoir une source de pompage pour fournir de l'énergie.
Le laser à fibre peut en fait être considéré comme un convertisseur de longueur d'onde, grâce auquel la lumière de la longueur d'onde de la pompe peut être convertie en la lumière de la longueur d'onde de l'effet laser requise.
Par exemple, un laser à fibre dopée à l'erbium pompe une lumière de 980 nm et émet un laser de 1550 nm. La sortie du laser peut être continue ou pulsée.
Les lasers à fibre ont deux états d'activation : l'activation à trois niveaux et l'activation à quatre niveaux. Les principes des lasers à trois et à quatre niveaux sont illustrés dans la figure 2.2.
La pompe (photon à haute énergie de courte longueur d'onde) provoque la transition de l'électron de l'état fondamental à l'état de haute énergie E44 ou E33puis transite vers le niveau laser supérieur E43 ou E32 par des transitions non radiatives.
Lorsque l'électron passe du niveau laser supérieur au niveau d'énergie inférieur, E42 ou E31, le processus laser se produira.
Il existe plusieurs types de lasers à fibre optique qui peuvent être divisés en différentes catégories, comme le montre le tableau 3.1. Les sections suivantes présentent plusieurs types de ces lasers.
Tableau 3.1 Classification des lasers à fibre optique
| Classification selon la structure du résonateur | Cavité F-P, cavité annulaire, résonateur à fibre à réflecteur en boucle et cavité en forme de "8", laser à fibre DBR, laser à fibre DFB |
| Classification selon la structure des fibres | Laser à fibre à simple gaine, Laser à fibre à double gaine |
| Classification par support de gain | Laser à fibres dopées aux terres rares, laser à fibres à effet non linéaire, laser à fibres monocristallines, laser à fibres plastiques |
| Classification par mécanisme de fonctionnement | Laser à fibre à conversion ascendante, Laser à fibre à conversion descendante |
| Classification par éléments de dopage | L'erbium (Er3+), le néodyme (Nd3+), le praséodyme (Pr3+), le thulium (Tm3+), Ytterbium (Yb3+), Holmium (Ho3+) et 15 autres types |
| Classification par longueur d'onde de sortie | Bande S (1280-1350nm), Bande C (1528-1565nm), Bande L (1561-1620nm) |
| Classification par laser de sortie | Laser pulsé, laser à ondes continues |
Les terres rares regroupent 15 éléments, situés dans la cinquième rangée du tableau périodique.
Actuellement, les ions de terres rares incorporés dans les fibres actives sont les suivants : Er3+, Nd3+, Pr3+, Tm3+et Yb3+.
Ces dernières années, les lasers à fibre dopée à double enveloppe, qui utilisent la technologie de pompage de l'enveloppe, ont considérablement augmenté la puissance de sortie, devenant ainsi un autre point chaud de la recherche dans le domaine des lasers.
Ce type de structure de fibre, comme le montre la figure 3.1, est composé d'une gaine extérieure, d'une gaine intérieure et d'un cœur dopé.
L'indice de réfraction de la gaine extérieure est inférieur à celui de la gaine intérieure, qui est lui-même inférieur à l'indice de réfraction du cœur de la fibre, formant ainsi une structure de guide d'ondes à double couche.
La fibre dopée à double enveloppe est un composant clé dans la construction des lasers à fibre. Ses principaux rôles dans un laser à fibre sont les suivants
1) Conversion de la puissance de la lumière de la pompe en fluide de travail du laser ;
2) Collaborer avec d'autres dispositifs pour former un résonateur laser.
Son principe de fonctionnement consiste principalement à injecter la lumière de pompage dans la fibre, soit latéralement, soit à partir de la face d'extrémité. L'indice de réfraction de la gaine extérieure étant beaucoup plus faible que celui de la gaine intérieure de la fibre, la gaine intérieure peut transmettre la lumière de pompe multimode.
La dimension de la section transversale de la gaine intérieure est plus grande que celle du cœur. Ainsi, pour la longueur d'onde laser générée, la gaine interne et le cœur dopé aux terres rares forment un guide d'ondes monomode parfait, tandis que la gaine externe et la gaine interne forment un guide d'ondes multimode pour la transmission de la puissance de la lumière de pompage.
Cela permet à la lumière de pompe multimode de grande puissance d'être couplée dans la gaine intérieure. La lumière de pompe multimode est absorbée plusieurs fois lorsqu'elle se déplace le long de la fibre, en traversant le cœur. Grâce à l'excitation des ions de terres rares dans le cœur, un signal laser de grande puissance est produit.
Le principe de fonctionnement est illustré à la figure 3.1.
La maturité croissante de la technologie des réseaux de Bragg à fibre inscrite dans l'UV dans les années 1990 a conduit à une attention accrue sur les lasers à réseau de Bragg à fibre, principalement les lasers à réseau de Bragg à réflecteur distribué (DBR) et à rétroaction distribuée (DFB).
La principale différence entre les deux est que le laser à fibre DFB n'utilise qu'un seul réseau pour réaliser la rétroaction optique et la sélection de la longueur d'onde, offrant ainsi une meilleure stabilité et évitant la perte de fusion entre la fibre dopée à l'Er et le réseau.
Cependant, bien que le réseau puisse être directement inscrit dans la fibre dopée à l'Er en utilisant les UV, la fabrication pratique du laser à fibre DEB n'est pas facile en raison de la faible teneur en Ge dans le cœur de la fibre et de la faible photosensibilité.
En revanche, le laser à fibre DBR peut être fabriqué plus facilement en fusionnant un réseau de fibres dopées au Ge aux deux extrémités de la fibre dopée à l'Er pour former une cavité résonnante.
Les lasers à fibre à réseau DBR et DFB sont confrontés à plusieurs problèmes tels qu'une faible efficacité d'absorption de la pompe due à des cavités de résonance courtes, des lignes spectrales plus larges que celles des lasers à anneau et des sauts de mode.
Des efforts continus sont déployés pour résoudre ces problèmes. Les améliorations proposées comprennent l'utilisation d'une fibre co-dopée Er:Yb comme support de gain, l'adoption d'une méthode de pompage intracavité et l'intégration de l'oscillateur et de l'amplificateur de puissance.
Les lasers à impulsions ultra-courtes sont actuellement un sujet de recherche brûlant dans le domaine des lasers à fibre, principalement grâce à des techniques de verrouillage de mode passif.
Comme les lasers à l'état solide, les lasers à fibre génèrent des impulsions courtes basées sur le principe du verrouillage de mode. Lorsqu'un laser à fibre fonctionne sur un grand nombre de modes longitudinaux dans la largeur de bande de gain, le verrouillage de mode est obtenu lorsque la phase de chaque mode longitudinal se synchronise et que la différence de phase entre deux modes longitudinaux adjacents est constante.
L'impulsion unique circulant dans la cavité résonnante produit de l'énergie par l'intermédiaire du coupleur de sortie. Les lasers à fibre sont divisés en lasers à fibre à verrouillage de mode actif et lasers à fibre à verrouillage de mode passif.
La capacité de modulation active du verrouillage de mode limite la largeur de l'impulsion verrouillée, qui est généralement de l'ordre de la picoseconde. Les lasers à fibre à verrouillage de mode passif utilisent les effets optiques non linéaires de la fibre ou d'autres composants optiques pour réaliser le verrouillage de mode.
La structure du laser est simple et peut réaliser un verrouillage de mode auto-démarrant dans certaines conditions sans aucun composant de modulation. L'utilisation de lasers à fibre à verrouillage de mode passif permet de produire des impulsions ultracourtes de l'ordre de la femtoseconde.
Les lasers à impulsions ultra-courtes ont été utilisés dans des sources de lumière ultra-rapides, ce qui a donné lieu à une variété de techniques de pompage et de spectroscopie résolues dans le temps. La technologie de génération d'impulsions ultra-courtes est essentielle pour réaliser le multiplexage optique temporel à très grande vitesse (OTDM). Les lasers à fibre à impulsions ultra-courtes sont très répandus dans divers domaines tels que les matériaux, la biologie, la médecine, la chimie et l'armée.
Les lasers sont au cœur de la technologie laser, et l'orientation future du développement des lasers à fibre consistera à améliorer encore les performances des lasers à fibre, notamment en augmentant la puissance de sortie et en améliorant la qualité du faisceau, en développant de nouvelles longueurs d'onde laser, en élargissant la gamme accordable des lasers, en réduisant le spectre laser, en développant des impulsions ultra-courtes (niveaux ps et fs) de lasers à haute luminosité et en menant des recherches sur la miniaturisation globale, la praticité et l'intelligence.
Ces dernières années, le développement s'est principalement concentré sur trois aspects :
(1) améliorer les performances des réseaux de Bragg à fibres, ce qui leur permet d'être bien utilisés dans les lasers à fibres ;
(2) lasers à fibre avec des largeurs d'impulsion et de ligne spectrale plus étroites, une puissance de sortie plus élevée, une plage d'accord plus large, etc ;
(3) rendre les lasers à fibre plus pratiques.
Applications industrielles : L'application la plus notable de la fibre les lasers dans l'industrie est le traitement des matériaux. Grâce à leur puissance sans cesse croissante, les lasers à fibre ont commencé à être utilisés à grande échelle pour la découpe industrielle.
Les lasers à fibre sont idéaux pour la découpe, le traitement et la manipulation des métaux et des matériaux. matériaux non métalliques. Ils peuvent être utilisés pour le calibrage des produits laser, la découpe de précision, la gravure au laser, soudage au laser, precision drilling, laser detection, micro bending, laser measurement, and other technical aspects.
Applications dans le domaine des télécommunications : Pour répondre aux exigences actuelles en matière de communication à haute capacité, l'application des lasers à fibre est devenue une technologie émergente dans le domaine de la communication.
À l'avenir, les technologies de communication passeront progressivement de la communication électrique à la communication optique. Les lasers à fibre peuvent non seulement générer une sortie laser continue, mais aussi produire des impulsions laser ultracourtes de l'ordre de la picoseconde (ps), voire de la femtoseconde (fs).
Les lasers à fibre ont fait de grands progrès dans la réduction des seuils, l'élargissement des gammes de longueurs d'onde et les capacités de longueur d'onde accordable. La communication par soliton, une technologie pratique, peut atteindre une distance de transmission de plusieurs millions de kilomètres, un taux de transmission de 20 Gb/s et un taux d'erreur sur les bits inférieur à 10-13, ce qui permet une transmission de signaux à grande vitesse et de haute qualité.
Applications militaires : Avec l'augmentation continue de la puissance des lasers à fibre, leur application dans le domaine militaire est de plus en plus répandue.
Pour atteindre l'objectif des armes à énergie dirigée, plusieurs lasers à fibre sont combinés dans une structure de réseau cohérent, ce qui peut augmenter la puissance des lasers à fibre.
Au laboratoire de recherche de l'armée de l'air aux États-Unis, des recherches sont actuellement menées sur les lasers à fibre de 100 kW afin de répondre aux objectifs des applications militaires.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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