Laser ultrarapide unique, première partie

Uniquelaser ultrarapidepremière partie

Propriétés uniques de l'ultrarapidelasers
La durée d'impulsion ultra-courte des lasers ultrarapides confère à ces systèmes des propriétés uniques qui les distinguent des lasers à impulsion longue ou à onde continue (CW). Afin de générer une impulsion aussi courte, une large bande passante spectrale est nécessaire. La forme de l'impulsion et la longueur d'onde centrale déterminent la bande passante minimale requise pour générer des impulsions d'une durée particulière. Généralement, cette relation est décrite en termes de produit temps-bande passante (TBP), dérivé du principe d'incertitude. Le TBP de l'impulsion gaussienne est donné par la formule suivante :TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτ est la durée de l'impulsion et Δv est la bande passante de fréquence. Essentiellement, l’équation montre qu’il existe une relation inverse entre la bande passante spectrale et la durée de l’impulsion, ce qui signifie qu’à mesure que la durée de l’impulsion diminue, la bande passante requise pour générer cette impulsion augmente. La figure 1 illustre la bande passante minimale requise pour prendre en charge plusieurs durées d'impulsion différentes.

Figure 1 : Bande passante spectrale minimale requise pour prendre en chargeimpulsions laserde 10 ps (vert), 500 fs (bleu) et 50 fs (rouge)

Les défis techniques des lasers ultrarapides
La large bande passante spectrale, la puissance de crête et la courte durée d'impulsion des lasers ultrarapides doivent être correctement gérées dans votre système. Souvent, l’une des solutions les plus simples à ces défis consiste à utiliser des lasers à large spectre. Si vous avez principalement utilisé des lasers à impulsions plus longues ou à ondes continues dans le passé, votre stock existant de composants optiques risque de ne pas être en mesure de réfléchir ou de transmettre toute la bande passante des impulsions ultrarapides.

Seuil de dommage laser
Les optiques ultrarapides ont également des seuils de dommages laser (LDT) significativement différents et plus difficiles à gérer par rapport aux sources laser plus conventionnelles. Lorsque des optiques sont prévueslasers pulsés nanosecondes, les valeurs LDT sont généralement de l’ordre de 5 à 10 J/cm2. Pour l'optique ultrarapide, des valeurs de cette ampleur sont pratiquement inconnues, car les valeurs LDT sont plutôt de l'ordre de <1 J/cm2, généralement plus proches de 0,3 J/cm2. La variation significative de l'amplitude du LDT sous différentes durées d'impulsion est le résultat d'un mécanisme de dommage laser basé sur la durée des impulsions. Pour les lasers nanosecondes ou pluslasers pulsés, le principal mécanisme à l’origine des dommages est l’échauffement thermique. Les matériaux de revêtement et de substrat duappareils optiquesabsorber les photons incidents et les chauffer. Cela peut entraîner une distorsion du réseau cristallin du matériau. La dilatation thermique, la fissuration, la fusion et la déformation du réseau sont les mécanismes courants de dommages thermiques de ces systèmes.source laser.

Cependant, pour les lasers ultrarapides, la durée de l'impulsion elle-même est plus rapide que l'échelle de temps de transfert de chaleur du laser au réseau du matériau, de sorte que l'effet thermique n'est pas la principale cause des dommages induits par le laser. Au lieu de cela, la puissance maximale du laser ultrarapide transforme le mécanisme de dommage en processus non linéaires tels que l’absorption multiphotonique et l’ionisation. C’est pourquoi il n’est pas possible de simplement réduire la valeur LDT d’une impulsion nanoseconde à celle d’une impulsion ultrarapide, car le mécanisme physique de dommage est différent. Par conséquent, dans les mêmes conditions d'utilisation (par exemple, longueur d'onde, durée d'impulsion et taux de répétition), un dispositif optique avec un indice LDT suffisamment élevé sera le meilleur dispositif optique pour votre application spécifique. Les optiques testées dans différentes conditions ne sont pas représentatives des performances réelles des mêmes optiques dans le système.

Figure 1 : Mécanismes de dommages induits par le laser avec différentes durées d'impulsion