La fibre optique, également connue sous le nom de fibre optique, est un guide d'ondes cylindrique utilisé pour transmettre la lumière. Elle utilise le principe de la réflexion interne totale pour confiner l'onde lumineuse dans le cœur de la fibre et la guider le long de l'axe de la fibre. Le remplacement des fils de cuivre par la fibre optique a changé le monde. En tant que support de la lumière [...]
La fibre optique, également connue sous le nom de fibre optique, est un guide d'ondes cylindrique utilisé pour transmettre la lumière. Elle utilise le principe de la réflexion interne totale pour confiner l'onde lumineuse dans le cœur de la fibre et la guider le long de l'axe de la fibre.
Le remplacement des fils de cuivre par la fibre optique a changé le monde. En tant que moyen de transmission de la lumière, la fibre optique a été largement adoptée depuis sa proposition par Gao Kun en 1966 en raison de ses nombreux avantages tels que sa haute capacité, ses fortes capacités anti-interférences, sa faible perte de transmission, sa longue distance de transmission, son excellente sécurité, sa forte adaptabilité, sa taille compacte, son poids léger et l'abondance de ses ressources en matières premières.
Gao Kun, largement reconnu comme le "père de la fibre optique", a reçu le prix Nobel de physique en 2009.
L'industrie des télécommunications a été transformée par l'amélioration continue et les applications pratiques de la fibre optique. La fibre optique a largement remplacé le fil de cuivre et constitue désormais un élément essentiel de la communication moderne.
Le système de communication par fibre optique est un type de système de communication qui utilise la lumière comme vecteur d'information et la fibre optique comme support de guide d'ondes. Lors de la transmission d'informations, le signal électrique est converti en signal optique et transmis dans la fibre optique.
En tant que nouvelle forme de technologie de communication, la communication par fibre optique a présenté dès le départ des avantages incomparables, suscitant un intérêt et une attention considérables.
L'utilisation généralisée de la fibre optique dans les communications a également stimulé le développement rapide des amplificateurs et des lasers à fibre. Outre le domaine des communications, les systèmes à fibres optiques sont également couramment utilisés en médecine, en détection et dans d'autres domaines.
La fibre active sert de support de gain dans les lasers à fibre. En fonction de sa structure, elle peut être classée en fibre monomode, fibre à double gaine et fibre à cristaux photoniques.
La fibre monomode se compose d'un cœur, d'une gaine et d'un revêtement. L'indice de réfraction (N1) du matériau du cœur est plus élevé que celui du matériau de la gaine (N2). Lorsque l'angle d'incidence de la lumière incidente est supérieur à l'angle critique, le faisceau est entièrement émis dans le cœur, ce qui permet à la fibre optique de confiner le faisceau dans le cœur et de le transmettre.
Cependant, la gaine interne de la fibre monomode ne peut pas confiner la lumière de la pompe multimode, et le cœur a une faible ouverture numérique. Par conséquent, la sortie laser ne peut être obtenue qu'en couplant la lumière de pompe monomode dans le cœur.
Les premiers lasers à fibre utilisaient une fibre monomode, ce qui se traduisait par une faible efficacité de couplage et ne produisait qu'une puissance de sortie de l'ordre du milliwatt.
Transmission de la lumière dans une fibre optique
Afin de surmonter les limites de la fibre monomode conventionnelle dopée à l'ytterbium (Yb3+) en termes d'efficacité de conversion et de puissance de sortie, R. Maurer a proposé pour la première fois le concept de fibre à double gaine en 1974. Toutefois, ce n'est que lorsque E. Snitzer et d'autres ont proposé la technologie de pompage de la gaine en 1988 que la technologie des lasers/amplificateurs à fibre dopée à l'ytterbium de haute puissance a connu un développement rapide.
La fibre optique à double gaine est un type de fibre optique à la structure unique. Par rapport à la fibre optique conventionnelle, elle possède une gaine intérieure composée d'une couche de revêtement, d'une gaine intérieure, d'une gaine extérieure et d'un cœur dopé.
La technologie de pompage par la gaine est basée sur la fibre à double gaine et vise à transmettre la lumière de pompe multimode dans la gaine interne et la lumière laser dans le cœur de la fibre, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de conversion de la pompe et la puissance de sortie du laser à fibre.
La structure de la fibre à double gaine, la forme de la gaine intérieure et le mode de couplage de la lumière de la pompe sont essentiels à cette technologie.
La bobine de la fibre à double enveloppe est composée de silice (SiO2) dopée avec des éléments de terre rare. Dans les lasers à fibre, elle sert à la fois de support laser et de canal de transmission du signal laser.
Pour s'assurer que l'excitation de sortie est le mode transversal fondamental, le paramètre V est réduit pour la longueur d'onde de travail correspondante en concevant son ouverture numérique et le diamètre du noyau.
La dimension transversale de la gaine interne (des dizaines de fois supérieure au diamètre du cœur conventionnel) et l'ouverture numérique sont beaucoup plus grandes que celles du cœur, et son indice de réfraction est inférieur à celui du cœur, ce qui limite la propagation complète du laser dans le cœur.
Cela crée un guide d'ondes optiques avec une grande section transversale et une grande ouverture numérique entre le cœur et la gaine extérieure, ce qui permet à la lumière de pompage de forte puissance avec une grande ouverture numérique, une grande section transversale et un mode multiple d'être couplée dans la fibre optique et limitée à la transmission à l'intérieur de la gaine intérieure sans diffusion. Cela permet de maintenir une densité de pompage optique élevée.
La gaine extérieure de la fibre à double gaine est composée de matériaux polymères dont l'indice de réfraction est inférieur à celui de la gaine intérieure. La couche la plus externe est une couche protectrice composée de matériaux organiques.
La zone de couplage de la fibre à double gaine à la lumière de pompage est déterminée par la taille de la gaine intérieure, contrairement à la fibre monomode traditionnelle, qui est déterminée uniquement par le cœur.
On obtient ainsi une structure de guide d'ondes à double couche pour la fibre à double enveloppe.
D'une part, il améliore l'efficacité du couplage de puissance du laser à fibre, permettant à la lumière de pompage d'exciter les ions dopés et d'émettre de la lumière laser à travers le cœur de la fibre plusieurs fois lorsqu'elle est conduite dans la gaine interne.
D'autre part, la qualité du faisceau de sortie est déterminée par la nature du cœur de la fibre, et l'introduction de la gaine intérieure n'a pas d'impact négatif sur la qualité du faisceau de sortie du laser à fibre.
Schéma structurel de la fibre octogonale à double enveloppe
Schéma des différentes structures de revêtement intérieur
La conception spécifique de la gaine interne du laser à fibre à double gaine permet d'améliorer considérablement l'efficacité de l'utilisation de la lumière de la pompe.
Initialement, la structure de la gaine interne de la fibre à double gaine était cylindriquement symétrique, ce qui rendait son processus de fabrication relativement simple et facile à coupler avec la fibre de queue de la diode laser de pompage (LD).
Cependant, sa symétrie parfaite a entraîné un grand nombre de rayons en spirale dans la lumière de la pompe à l'intérieur de la gaine, qui n'atteindraient jamais la zone centrale même après de multiples réflexions.
Par conséquent, ces rayons ne pouvaient pas être absorbés par le cœur de la fibre, ce qui entraînait des fuites de lumière et rendait difficile l'amélioration de l'efficacité de la conversion, même avec l'utilisation de fibres plus longues.
Par conséquent, la symétrie cylindrique de la structure de la gaine intérieure doit être perturbée.
Dans une fibre conventionnelle à double enveloppe, la puissance laser de sortie est déterminée par la taille du cœur de la fibre, et l'ouverture numérique détermine la qualité du faisceau laser de sortie.
Toutefois, les limites des mécanismes physiques tels que les effets non linéaires et les dommages optiques dans les fibres optiques font qu'il est impossible de répondre aux besoins de fonctionnement monomode des fibres à double enveloppe à grand champ de mode à une puissance de sortie élevée en augmentant uniquement le diamètre de l'âme.
L'avènement de fibres optiques spéciales, telles que les fibres à cristaux photoniques (PCF), offre une solution efficace à ce problème.
Le concept de cristaux photoniques a été proposé pour la première fois par E. Yablonovitch en 1987. Il s'agit de matériaux diélectriques dont les constantes diélectriques varient et qui forment une structure périodique de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière dans un espace unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel. Cela crée des bandes guides photoniques qui permettent la propagation de la lumière et des bandes interdites photoniques (PBG) qui interdisent la propagation de la lumière.
En modifiant la disposition et la période de distribution des différents milieux, il est possible d'obtenir de nombreux changements dans les propriétés des cristaux photoniques, ce qui permet d'obtenir des fonctions spécifiques.
La fibre à cristaux photoniques (PCF) est un cristal photonique bidimensionnel, également appelé fibre à microstructure ou fibre poreuse.
En 1996, J.C. Knight et d'autres ont créé le premier PCF, dont le mécanisme de guidage de la lumière est similaire au mécanisme de guidage de la lumière par réflexion interne totale des fibres optiques traditionnelles.
Le premier PCF basé sur le principe de la bande interdite photonique a été inventé en 1998.
Après 2005, les méthodes de conception et de préparation des PCF à grand champ modal se sont diversifiées, avec l'apparition de structures de formes variées, y compris les PCF à canal fuyant, les PCF à tige, les PCF à grand espacement et les PCF à noyaux multiples.
La zone de champ de mode des fibres optiques a également augmenté.
Microstructure de différentes fibres à cristaux photoniques
La fibre à cristaux photoniques (PCF) ressemble à la fibre monomode traditionnelle, mais elle présente une structure complexe de trous au niveau de la microstructure.
Ces caractéristiques structurelles confèrent au PCF de nombreux avantages uniques que les fibres optiques traditionnelles ne peuvent égaler, tels que la transmission monomode sans coupure, une grande zone de champ de mode, une dispersion réglable et une faible perte limite, ce qui permet de surmonter de nombreux problèmes liés aux lasers traditionnels.
Par exemple, la PCF permet de fonctionner en mode unique avec une grande surface de champ de mode, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie. densité de puissance du laser dans la fibre optique, en minimisant l'effet non linéaire dans la fibre optique et en améliorant le seuil d'endommagement de la fibre optique tout en préservant la qualité du faisceau.
Il permet également une grande ouverture numérique, ce qui se traduit par un meilleur couplage de la lumière de pompage et une sortie laser plus puissante.
Ces avantages de la PCF ont conduit à un essor de la recherche dans le monde entier, en faisant un nouvel axe de recherche dans les lasers à fibre et en jouant un rôle de plus en plus important dans les applications des lasers à fibre de haute puissance.
Un laser dont le milieu de gain est une fibre optique est appelé laser à fibre.
Comme les autres types de laser, il se compose d'un milieu à gain, d'une source de pompage et d'un résonateur.
Les Utilisation du laser à fibre la fibre active, dopée avec des éléments de terre rare dans le cœur, comme support de gain.
Généralement, les lasers à semi-conducteurs servent de source de pompage, tandis que le résonateur est composé de miroirs, de faces d'extrémité de fibre, de miroirs annulaires de fibre ou de réseaux de fibres.
En fonction de leurs caractéristiques dans le domaine temporel, les lasers à fibre peuvent être divisés en lasers à fibre continus et lasers à fibre pulsés.
En fonction de la structure du résonateur, ils peuvent être divisés en lasers à fibre à cavité linéaire, lasers à fibre à rétroaction distribuée et lasers à fibre à cavité en anneau.
En fonction de la fibre de gain et du mode de pompage, ils peuvent être divisés en lasers à fibre à simple gaine (pompage du cœur) et lasers à fibre à double gaine (pompage de la gaine).
Principe de structure du laser à cavité linéaire tout fibre
En 1961, Snitzer a découvert rayonnement laser dans les guides d'ondes en verre dopé au Nd.
En 1966, Gao Kun a étudié de manière approfondie les principales causes de l'atténuation optique dans les fibres optiques et a mis en évidence les principaux problèmes techniques à résoudre pour l'application pratique des fibres optiques dans les communications.
En 1970, la société américaine Corning a mis au point des fibres optiques dont l'atténuation est inférieure à 20 dB/km, ce qui a jeté les bases du développement de la communication optique et de la technologie optoélectronique.
Cette avancée technologique a également grandement facilité le développement des lasers à fibre.
Dans les années 1970 et 1980, la maturité et la commercialisation de la technologie des lasers à semi-conducteurs ont fourni des sources de pompage fiables et variées pour le développement des lasers à fibre.
Parallèlement, les progrès du dépôt chimique en phase vapeur ont permis de réduire la perte de transmission des fibres optiques.
Les lasers à fibre se sont rapidement diversifiés. Différents éléments de terres rares, tels que l'erbium (Er3+), l'ytterbium (Yb3+), le néodyme (Nd3+), le samarium (Sm3+), le thulium (Tm3+), l'holmium (Ho3+), le praséodyme (Pr3+), le dysprosium (Dy3+) et le bismuth (Bi3+), sont dopés dans la fibre pour obtenir une sortie laser de différentes longueurs d'onde afin de répondre aux diverses exigences des applications.
Spectre d'émission d'une fibre de quartz dopée avec des éléments de terre rare
Les avantages du laser à fibre de haute puissance sont les suivants.
La structure du guide d'ondes du laser à fibre facilite la production d'une sortie à mode transversal unique et n'est pas affectée de manière significative par des facteurs externes, ce qui permet d'obtenir une sortie laser de haute luminosité.
Les lasers à fibre peuvent atteindre une efficacité élevée de conversion optique à optique en utilisant un laser à semi-conducteur dont la longueur d'onde d'émission correspond aux caractéristiques d'absorption des éléments de terre rare dopés en tant que source de pompage.
Pour les lasers à fibre dopés à l'ytterbium de forte puissance, on choisit généralement des lasers à semi-conducteur de 915 nm ou 975 nm.
La structure simple des niveaux d'énergie de l'Yb3+ entraîne quelques phénomènes tels que la conversion ascendante, l'absorption de l'état excité et l'extinction de la concentration, ainsi qu'une longue durée de vie de la fluorescence, ce qui le rend efficace pour le stockage de l'énergie et la réalisation d'opérations à haute puissance.
L'efficacité électro-optique globale des lasers à fibre commerciaux peut atteindre 25%, ce qui contribue à la réduction des coûts, à l'économie d'énergie et à la protection de l'environnement.
Les lasers à fibre utilisent une fibre mince dopée aux terres rares comme support de gain laser, qui présente un rapport surface/volume important. Ce rapport est environ 1000 fois supérieur à celui des lasers à blocs à l'état solide et offre des avantages inhérents en termes de dissipation de la chaleur.
Pour les applications de faible à moyenne puissance, un refroidissement spécial de la fibre optique n'est pas nécessaire. Dans les scénarios de forte puissance, le refroidissement à l'eau peut atténuer efficacement la baisse de qualité et d'efficacité du faisceau causée par les effets thermiques dans les lasers à semi-conducteurs.
L'utilisation d'une fibre souple et de petite taille comme support de gain laser fait du laser à fibre un outil idéal pour réduire les volumes et les coûts. La source de pompage, un laser à semi-conducteur, a également une taille compacte et est facilement modulable. La plupart des produits commerciaux peuvent être produits à l'aide d'une fibre de queue.
En incorporant des dispositifs à fibres optiques tels que les réseaux de Bragg, il est possible d'obtenir un système à fibres entièrement optiques grâce à la fusion de ces dispositifs. Il en résulte une grande immunité aux perturbations environnementales, une grande stabilité et une réduction du temps et des coûts de maintenance.
Les lasers à fibre de haute puissance présentent également des inconvénients insurmontables :
Premièrement, elle est facilement limitée par des effets non linéaires.
La structure du guide d'ondes du laser à fibre lui confère une grande longueur effective, ce qui se traduit par un seuil bas pour divers effets non linéaires. Toutefois, des effets non linéaires nuisibles tels que la diffusion Raman stimulée (SRS) et la modulation de phase automatique (SPM) peuvent entraîner des fluctuations de phase, un transfert d'énergie dans le spectre et même endommager le système laser, ce qui entrave l'avancement des lasers à fibre de haute puissance.
Le second est l'effet d'assombrissement des photons.
La forte concentration de dopage de terres rares dans les lasers à fibre entraîne un déclin progressif et irréversible de l'efficacité de la conversion de puissance en raison de l'effet d'obscurcissement des photons avec un temps de pompage prolongé. Cela limite la stabilité à long terme et la durée de vie des lasers à fibre de haute puissance, en particulier dans le cas des lasers à fibre de haute puissance dopés à l'ytterbium.
Toutefois, les progrès réalisés dans le domaine des lasers à semi-conducteurs couplés à des fibres à haute luminosité et de la technologie des fibres à double enveloppe ont considérablement amélioré la puissance de sortie, l'efficacité de la conversion optique et la qualité du faisceau des lasers à fibre de haute puissance.
L'énorme demande de lasers à fibre de haute puissance dans le traitement industriel, les armes à énergie directionnelle, la télémétrie à longue distance, le lidar et d'autres domaines a stimulé les efforts de recherche d'entreprises telles que IPG Photonics, Nufern, NLight et le groupe Trumpf, ce qui a conduit au développement de lasers à fibre de haute puissance à ondes continues et à ondes pulsées avec une gamme de produits diversifiée.
Des institutions universitaires telles que l'université de Tsinghua, l'université des sciences et technologies de la défense nationale, l'institut d'optique et de machines de précision de Shanghai, l'académie chinoise des sciences et le quatrième institut de recherche du groupe des sciences et industries aérospatiales chinoises ont également fait état de résultats intéressants dans ce domaine.
Les limites des effets non linéaires, des effets thermiques et des seuils d'endommagement des matériaux dans les lasers à fibre se traduisent par une puissance de sortie limitée pour les lasers à fibre à canal unique, avec une diminution de la qualité du faisceau à mesure que la puissance augmente.
Pour améliorer la qualité du faisceau, il est nécessaire d'adopter la technologie de contrôle de mode et de concevoir de nouvelles fibres avec des structures spéciales. J.W. Dawson et ses collègues ont effectué une analyse théorique de la limite de puissance de sortie d'une fibre unique. Les calculs révèlent qu'un laser à fibre à large bande peut atteindre une sortie laser proche de la limite de diffraction avec une puissance maximale de 36 kW, tandis qu'un laser à fibre à largeur de ligne étroite peut atteindre une puissance maximale de 2 kW.
Pour améliorer encore la puissance de sortie des lasers à fibre et des amplificateurs, la synthèse de puissance des lasers à fibre multicanaux par le biais de la technologie de synthèse cohérente est une méthode efficace. Ce sujet a fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années.
Système de synthèse cohérente d'un laser à fibre
Les limites imposées par les effets non linéaires, les effets thermiques et les seuils d'endommagement des matériaux dans les lasers à fibre restreignent la puissance de sortie des lasers à fibre à canal unique et entraînent une baisse de la qualité du faisceau avec l'augmentation de la puissance.
Pour améliorer la qualité du faisceau, la technologie de contrôle de mode et la conception de structures de fibres spéciales doivent être utilisées. J.W. Dawson et ses collègues ont effectué une analyse théorique de la limite de puissance de sortie d'une fibre unique. Les résultats montrent qu'un laser à fibre à large bande peut produire une sortie laser proche de la limite de diffraction avec une puissance maximale de 36 kW, tandis qu'un laser à fibre à largeur de ligne étroite peut atteindre une puissance maximale de 2 kW.
La technologie de synthèse cohérente, qui implique la synthèse de puissance de plusieurs lasers à fibre, est une méthode efficace pour augmenter la puissance de sortie des lasers à fibre et des amplificateurs. Cette approche est devenue un sujet de recherche important ces dernières années.
Outre les avantages uniques des lasers à fibre et la demande de systèmes de 100 kilowatts, divers dispositifs de soutien, tels que les coupleurs à cône fusionné, les fibres multiconducteurs, les modulateurs de phase avec pigtails et les décaleurs de fréquence acousto-optiques, ont joué un rôle crucial dans la commercialisation de la communication par fibre optique.
Le coupleur à cône fusionné et les fibres multiconducteurs rendent beaucoup plus facile le contrôle passif de la phase par le couplage de l'injection d'énergie laser et le couplage des ondes évanescentes.
Le modulateur de phase avec pigtails et les déphaseurs acousto-optiques permettent un contrôle actif de la phase avec une largeur de bande de contrôle de l'ordre du mégahertz, ce qui permet de contrôler les fluctuations de phase dans des conditions de forte puissance et d'obtenir une sortie à verrouillage de phase.
Les chercheurs ont proposé de nombreux schémas distincts de synthèse cohérente, notamment la technologie de synthèse spectrale, une technologie de synthèse incohérente qui utilise un ou plusieurs réseaux de diffraction pour diffracter plusieurs sous-faisceaux dans la même ouverture afin d'obtenir une sortie à ouverture unique et une qualité de faisceau améliorée.
La synthèse spectrale des lasers à fibre exploite pleinement la large bande de gain des lasers à fibre dopée à l'ytterbium pour surmonter les limites de la puissance de sortie d'un laser à fibre unique, ce qui permet d'obtenir des lasers à haute puissance et à faisceau élevé. laser de qualité de la production. Il s'agit d'une des voies techniques importantes pour les lasers à fibre de haute puissance à l'avenir.
Système laser à fibres synthétiques spectrales
Ces dernières années, l'Institut d'optique et de mécanique de Shanghai a mené des recherches approfondies sur les lasers à fibre de haute puissance et la synthèse spectrale, réalisant des percées significatives dans la préparation des dispositifs, les technologies clés et les systèmes de synthèse spectrale.
En ce qui concerne les amplificateurs à fibre à largeur de bande étroite et à haute puissance, l'Institut a utilisé en 2016 des dispositifs de base qu'il a lui-même développés, tels que des réseaux de Bragg, des combinateurs de fibre à haute puissance et des filtres optiques à gaine. Ces dispositifs sont basés sur des technologies clés telles que le filtrage en cascade des réseaux de Bragg, le contrôle de la largeur de ligne, le contrôle des paramètres de l'étage d'amplification et le contrôle du mode de la fibre.
Cette percée a dépassé la limite de puissance de sortie monomode des lasers dont la largeur de raie est inférieure à 50 GHz, signalée par le groupe de recherche de l'université d'Iéna, en Allemagne. L'institut a réussi à obtenir une sortie de laser à fibre proche de la limite de diffraction avec une puissance de 2,5 kW, une largeur de raie de 0,18 nm (50 GHz) et une longueur d'onde centrale de 1064,1 nm.
Le laser comporte une graine de fibre tout-optique compacte et stable et une structure d'amplification à trois étages, ce qui le rend très robuste. L'amplificateur principal utilise une fibre de 20 μm/400 μm sans maintien de polarisation, et l'augmentation de la puissance de pompe disponible pourrait encore améliorer la puissance de sortie du laser.
En termes de synthèse spectrale, les réseaux de diffraction réfléchissants à film métallique ont un faible seuil d'endommagement et sont incapables de résister à l'irradiation laser de haute puissance, ce qui rend difficile la réalisation d'une synthèse spectrale de haute puissance. Cependant, en août 2016, l'Institut a réalisé une synthèse spectrale de 11,27 kW de haute qualité de faisceau en utilisant 7 lasers à fibre à largeur de raie étroite et des réseaux de diffraction diélectriques multicouches non corrélés à la polarisation à seuil d'endommagement élevé (MLDG), réalisant ainsi des progrès significatifs dans la synthèse spectrale des lasers à fibre de haute puissance.
Les lasers à fibre présentent d'excellentes performances dans divers domaines tels que le traitement industriel, le traitement médical, la télédétection, la sécurité et la recherche scientifique en raison de la bonne qualité de leur faisceau, de leur efficacité électro-optique élevée, de leur structure compacte et de leur fiabilité.
Dans le secteur industriel, les lasers à fibre peuvent être classés en trois catégories en fonction de leur puissance de sortie :
Les lasers à fibre de faible puissance (< 50 watts) sont principalement utilisés pour le traitement des microstructures, le marquage au laser, l'ajustement de la résistance, la précision et le contrôle de la qualité. foragegravure sur métal, etc.
Les lasers à fibre de puissance moyenne (50 à 500 watts) sont principalement utilisés pour le perçage, le soudage, la découpe et la production d'électricité. traitement de surface de fines plaques de métal.
Les lasers à fibre de haute puissance (> 1000 watts) sont principalement utilisés pour la découpe de plaques métalliques épaisses, le revêtement de surfaces métalliques et le traitement tridimensionnel de plaques spéciales, entre autres.
Les lasers à fibre présentent des performances exceptionnelles dans divers domaines tels que le traitement industriel, le traitement médical, la télédétection, la sécurité et la recherche scientifique en raison de la bonne qualité de leur faisceau, de leur efficacité électro-optique élevée, de leur conception compacte et de leur fiabilité.
Dans le domaine industriel, les lasers à fibre peuvent être classés en trois catégories en fonction de leur puissance de sortie :
Les lasers à fibre de faible puissance (< 50 watts) sont principalement utilisés pour le traitement des microstructures, le marquage au laser, l'ajustement de la résistance, le perçage de précision, la gravure sur métal, etc.
Les lasers à fibre de puissance moyenne (50 à 500 watts) sont principalement utilisés pour le perçage, le soudage, la découpe et le traitement de surface de plaques métalliques minces.
Les lasers à fibre de haute puissance (> 1000 watts) sont principalement utilisés pour la découpe de plaques métalliques épaisses, le revêtement de surfaces métalliques et le traitement tridimensionnel de plaques spéciales, entre autres applications.
Les lasers à fibre présentent des performances exceptionnelles dans divers domaines tels que le traitement industriel, le traitement médical, la télédétection, la sécurité et la recherche scientifique en raison de la bonne qualité de leur faisceau, de leur efficacité électro-optique élevée, de leur conception compacte et de leur fiabilité.
Dans le secteur industriel, les lasers à fibre peuvent être classés en trois catégories en fonction de leur puissance de sortie :
Les lasers à fibre de faible puissance (< 50 watts) sont principalement utilisés pour le traitement des microstructures, le marquage au laser, l'ajustement de la résistance, le perçage de précision, la gravure sur métal, etc.
Les lasers à fibre de puissance moyenne (50 à 500 watts) sont principalement utilisés pour le perçage, le soudage, la découpe et le traitement de surface des plaques métalliques minces.
Les lasers à fibre de haute puissance (> 1000 watts) sont principalement utilisés pour la découpe de plaques métalliques épaisses, le revêtement de surfaces métalliques et le traitement tridimensionnel de plaques spéciales, entre autres applications.
Par rapport à d'autres sources lumineuses, le volume réduit des lasers à fibre contribue à une grande mobilité des plates-formes de lancement, améliorant ainsi l'adaptabilité et la capacité de survie sur le champ de bataille.
En Afghanistan, le système de déminage laser "Zeus" de la société Spata a été utilisé pour déminer.
Depuis 2009, la marine américaine utilise avec succès des systèmes laser à fibre optique pour détruire des drones, des obus et des petits navires. Le système a été installé sur des navires de guerre en 2014.
En 2012, le distributeur allemand d'armement Rheinmetall a lancé un système laser à double tube de 50 kW qui a réussi à intercepter et à détruire des drones, des obus et d'autres cibles dans le cadre d'une expérience de démonstration.
L'arme laser est un nouveau concept d'arme qui se développe rapidement.
Il émet des lasers à haute énergie à la vitesse de la lumière sur la surface de la cible, endommageant des dispositifs clés tels que la détection photoélectrique, la navigation et le guidage, ou rendant la cible "aveugle et sourde", ou brûlant la coque de l'objet mobile pour l'abattre, ou détonant le carburant pour l'exploser en l'air, accomplissant ainsi la tâche de causer des dommages en peu de temps.
Il présente les avantages d'une concentration d'énergie, d'une vitesse de transmission rapide et d'une utilisation répétée, ainsi qu'un rapport coût-efficacité élevé, un transfert d'incendie rapide et une résistance aux interférences électromagnétiques.
Depuis ses débuts, le développement des armes laser a connu des hauts et des bas. Cependant, la maturité des laser à semi-conducteurs Les nouvelles technologies, telles que les lasers à fibre, ont relancé le développement d'armes laser et sont devenues le point de mire de la recherche des principales puissances militaires.
Actuellement, des pays tels que les États-Unis, la Grande-Bretagne, la Russie, l'Allemagne et l'Inde ont commencé à développer des armes laser et ont effectué les essais nécessaires.
L'entrée des armes laser sur le champ de bataille est imminente.
Afin de lutter contre les menaces asymétriques telles que les drones et les navires d'attaque furtifs et d'améliorer les capacités de défense rapprochée des navires, l'US Navy a officiellement commencé à développer le "Laser Weapon System" (LAWS) en 2010. Le système a été déployé sur le navire de transport amphibie "Ponce" en septembre 2014 pour un test et une évaluation opérationnels d'un an.
Le LAWS est dirigé par Raytheon, avec la participation de Boeing et de Lockheed Martin pour certains aspects du travail. Le système exploite au maximum les technologies et les composants commerciaux existants afin de réduire les coûts de R&D et d'acquisition.
Le prototype LAWS se compose de six lasers à fibre industriels qui, lorsqu'ils sont opérationnels, combinent leurs faisceaux laser pour produire un faisceau laser de 30 kW. Le coût d'utilisation du système d'armement laser est faible, un tir unique étant estimé à seulement $1, ce qui contraste fortement avec les dizaines de milliers ou les centaines de milliers de dollars par missile.
En 2016, le Bureau de recherche navale des États-Unis a lancé le développement d'un nouveau système d'arme laser à haute énergie embarqué d'une puissance de sortie de 150 kW, soit cinq fois plus puissant que le prototype de système de lois testé précédemment. Le projet a duré 12 mois et a coûté $53 millions de dollars américains pour développer le "prototype de démonstration du système d'arme laser" en trois étapes : la première étape était la conception initiale, la deuxième étape était l'essai au sol et la troisième étape était l'essai sur un navire d'essai d'autodéfense de la marine.
En 2014, l'Académie chinoise d'ingénierie physique et l'Institut d'optique et de mécanique de Shanghai ont développé conjointement le système "Low Altitude Guard". Lors de l'expérience de démonstration et de vérification, plus de 30 petits aéronefs, tels que des aéronefs à voilure fixe, des aéronefs multirotors et des hélicoptères, ont été abattus avec succès, avec un taux de réussite de 100%. Le système avait une puissance de lancement de près de 10 000 watts et une zone de protection efficace de 12 kilomètres carrés à basse altitude. Il pouvait intercepter avec précision une variété d'aéronefs, y compris des aéronefs à voilure fixe, dans un rayon de 2 kilomètres et dans un espace aérien de 360 degrés, à moins de 5 mètres. Le système était rapide, précis et sans dommages collatéraux.
En 2015, Lockheed Martin a utilisé une arme laser de 30 kW appelée Athena pour détruire un camion à un kilomètre de distance. En mars 2017, l'entreprise a annoncé l'achèvement de la recherche et du développement d'un système d'arme laser de 60 kW et son envoi au centre de commandement de l'armée américaine en Alaska. Le technologue en chef de l'entreprise a déclaré que les tests réussis nous rapprochent du développement de systèmes d'armes laser portables pouvant être déployés sur des avions militaires, des hélicoptères, des navires et des camions. Les recherches ont montré que le laser directionnel à haute énergie est désormais suffisamment compact, léger et fiable pour être utilisé à des fins de défense sur des plates-formes terrestres, maritimes et aériennes.
En conclusion, l'évolution de la technologie laser montre que la technologie des lasers à fibre est la voie d'avenir des lasers à haute puissance et à haute luminosité. La combinaison de la technologie des fibres à guide d'ondes et de la technologie de pompage des lasers à semi-conducteurs conduit à la création de lasers à fibre de haute puissance qui peuvent répondre à la demande pressante de lasers de haute puissance et de haute efficacité dans la fabrication de lasers avancés et la défense militaire.
Cette technologie revêt une grande importance stratégique pour l'économie et la sécurité nationales. En outre, les lasers à fibre de haute puissance ont un immense potentiel d'application dans divers domaines tels que l'exploration énergétique, les grands appareils scientifiques, la science spatiale, la science environnementale, etc. Ils constitueront un outil puissant permettant à l'homme d'appréhender et de façonner le monde.
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