Les caractéristiques des lasers 2 µm

Les caractéristiques des lasers 2 µm

Les lasers d'une longueur d'onde de 2 µm ont beaucoup progressé ces dernières années et offrent une efficacité, une stabilité et une facilité d'utilisation élevées. Les lasers 2 µm sont idéaux pour les applications de haute précision, notamment la chirurgie médicale et l’usinage des plastiques, en raison de leurs caractéristiques d'absorption uniques, qui leur permettent d’effectuer des incisions petites et précises avec un dégagement de chaleur minimal dans les tissus biologiques et plastiques. Les caractéristiques d’absorption donnent aux lasers 2 μm un avantage sur les lasers d’1 µm dans certaines applications.

Conception du laser

Les premiers lasers 2 µm étaient des appareils très grands, coûteux et refroidis par azote liquide. Aujourd'hui, il existe des lasers à diode 2 µm de 30 mm de long et des lasers à fibre encore plus petits. En raison de leur facilité d'utilisation inhérente et de la large gamme d'énergie qu'ils permettent de délivrer, par impulsions et par ondes continues (CW), les lasers 2 µm amélioreront l'efficacité et permettront de nouvelles procédures dans diverses applications. Les progrès technologiques permettent de réduire les coûts et de diminuer la taille des appareils, tout en améliorant leurs performances. Dans certains cas, les chercheurs développent des composants à partir de fibres optiques, ce qui peut réduire considérablement le coût.

Fonctionnement, éléments et puissance du laser

Pour les lasers 2 µm, deux éléments de terres rares se sont avérés être des dopants de gain laser qui fournissent une puissance élevée pour le fonctionnement des lasers en ondes continues et pulsées : Le thulium (Tm3+) et l’holmium (Ho3+). Les ions de ces éléments permettent l'émission laser dans de nombreux cristaux et fibres de verre hôtes différents (voir tableau 1). Pour le fonctionnement en ondes continues, les lasers au thulium se sont avérés être une meilleure option, tandis que l'holmium s'est meilleur pour les lasers pulsés et les lasers à commutation q, en raison du gain plus élevé des cristaux dopés à l'holmium. Les lasers au thulium sont également avantageux car les ions peuvent être excités avec des diodes laser disponibles sur le marché autour de 800 nm, alors que l'holmium ne peut être excité que par une source de pompage de 1,9 µm.

Les lasers 2 µm avec des puissances moyennes autour de 100 W sont idéaux pour un certain nombre de processus industriels. Le tableau 1 montre les puissances atteintes par les lasers dopés au thulium et le tableau 2 les puissances atteintes par les lasers dopés à l’holmium.

Matériau hôte du laser Longueur d'onde de pompage (nm) Longueur d’onde d’émission (nm) Puissance de sortie CW (W) Efficacité de la pente (%)
YAG 805 2 013 115 52
YAG 800 2 013 120 Non signalée
YLF 792 1 910 55 49
YLF 790 1 912 148 32,6
LuO3 796 2070 1,5 61
Germanate 800 1 900 64 68
Fibre de silice 793 2 050 110 55
Fibre de silice 1 567 1 940 415 60
Fibre de silice 790 2 040 885 49,2
Tableau 1 : Puissances de sortie, longueurs d'onde de pompage et longueurs d'onde d'émission publiées pour les lasers à ondes continues dopés au thulium (Scholle et al., 2010).
Matériau hôte du laser Source de pompage Longueur d’onde de pompage (µm) Longueur d’onde d’émission (nm) Puissance de sortie CW (W) Énergie d’impulsion Efficacité de la pente (%)
Ho:YAG Tm: YL 1,95 2 090 1,6 Non signalée 21
Ho:YAG Tm:YLF 1,9 2 090 Non signalée 50 Non signalée
Ho:YAG Fibre Tm 1,905 2 097 6,4 Non signalée 80
Ho:YLF Fibre Tm 1,94 2 050 43 40 42
Ho:YAG Fibre Tm 1,908 2 100 10 15 52
Ho:YAG Tm:YLF 1,908 2 090 9,4 Non signalée 40
Ho:YAG Tm:YLF 1,91 2 100 14 Non signalée 16
Ho:YAG Diode 1,91 2 120 40 3,5 57
Ho:YAF Fibre Tm 1,94 2 065 12,4 10,9 47
Ho:YAG Fibre Tm 1,908 2 090 18,7 Non signalée 80
Tableau 2 : Puissances de sortie, longueurs d'onde de pompage et longueurs d'onde d'émission publiées pour les lasers à ondes continues dopés à l'holmium (Scholle et al., 2010). 

Sécurité oculaire

Les longueurs d'onde de 2 µm sont incluses dans la gamme de longueurs d'onde jugée sûre pour les yeux, qui commence autour de 1,4 µm. Cette gamme est jugée sans danger pour l'œil car le rayonnement laser autour de 1,4 µm à 2,4 µm est fortement absorbé dans le corps vitré de l'œil et n'atteint pas la rétine, qui est responsable de l'envoi des impulsions nerveuses au cerveau. En outre, le seuil d'intensité des dommages oculaires irréversibles est beaucoup plus élevé autour de 2 µm que pour des longueurs d'onde plus courtes, comme 1 µm. Bien que la conception conviviale et la protection de la rétine soient bénéfiques, les faisceaux de 2 µm peuvent également endommager d'autres parties de l'œil que la rétine, ce qui exige que toutes les précautions de sécurité laser soient encore prises.

Matériaux optiques compatibles

Les matériaux optiques ayant une bonne transmission dans la gamme spectrale de 2 µm ont chacun leurs propres avantages uniques qui se prêtent à diverses applications. Le séléniure de zinc (ZnSe) est sans doute le matériau le plus apprécié pour les lentilles, les fenêtres, les coupleurs de sortie et les expanseurs de faisceau fonctionnant à 2 µm, en raison de sa faible absorptivité aux longueurs d'onde infrarouges et de sa transmission dans le visible. La transmission dans le spectre visible permet d'utiliser un faisceau de guidage visible en même temps qu'un faisceau de 2 µm. Le fluorure de calcium (CaF2) est une autre option de substrat pour les lasers de 2 µm, car sa transmission est supérieure à 90% entre 0,25 et 7 µm, il est disponible en grandes tailles et il est moins cher que des substrats similaires tels que le fluorure de baryum (BaF2). Les autres substrats qui transmettent à 2 µm comprennent la silice fondue de qualité IR, le germanium, le fluorure de magnésium (MgF2), le N-BK7, le bromure de potassium (KBr), le saphir, le silicium, le chlorure de sodium (NaCl) et le sulfure de zinc de qualité claire (également connu sous le nom de Cleartran™).

Comparaison des matériaux IR
NomPropriétés / Applications typiques
Fluorure de calcium (CaF2) Faible absorption, homogénéité élevée de l'indice de réfraction
Utilisé en spectroscopie, traitement des semi-conducteurs, imagerie thermique refroidie
Silice fondue Faible CTE et excellente transmission dans l'IR
Utilisé en interférométrie, instrumentation laser, spectroscopie
Germanium (Ge) nd élevé, dureté Knoop élevée, excellente transmission du MWIR au FIR
Utilisé en imagerie thermique, imagerie IR robuste
Fluorure de magnésium (MgF2) CTE élevé, faible indice de réfraction, bonne transmission du visible au MWIR
Utilisé dans les fenêtres, les lentilles et les polariseurs qui ne nécessitent pas de traitement antireflet.
N-BK7 Matériau à faible coût, fonctionne bien dans les applications visibles et infrarouges proches.
Utilisé dans la vision industrielle, la microscopie et les applications industrielles.
Bromure de potassium (KBr) Bonne résistance aux chocs mécaniques, hydrosoluble, large plage de transmission
Utilisé en spectroscopie FTIR
Saphir Très durable et bonne transmission dans l'IR
Utilisé dans les systèmes laser IR, la spectroscopie et l’équipement exposé aux environnements difficiles
Silicium (Si) Faible coût et légèreté
Utilisé en spectroscopie, systèmes laser MWIR, imagerie THz
Chlorure de sodium (NaCl) Soluble dans l'eau, faible coût, excellente transmission de 250 nm à 16 μm, sensible aux chocs thermiques.
Utilisé en spectroscopie FTIR
Séléniure de zinc (ZnSe) Faible absorption, haute résistance aux chocs thermiques
Systèmes laser CO2 et imagerie thermique
Sulfure de zinc (ZnS) Excellente transmission dans le visible et l'IR, plus dur et plus résistant aux produits chimiques que le ZnSe.
Utilisé en imagerie thermique
Tableau 3 : Comparaison des propriétés des substrats IR courants.

Pour en savoir plus sur les applications prometteuses des optiques laser 2 µm, téléchargez les livres blancs ci-dessous. 

2µm Medical Laser Applications
2 µm Medical Laser Applications
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2µm Materials Processing Applications
2 µm Materials Processing Applications
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Références:
Scholle, Karsten, Samir Lamrini, Philipp Koopmann, and Peter Fuhrberg. "2 µm Laser Sources and Their Possible Applications." InTechOpen. InTech, 01 Feb. 2010. Web.

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