Minimiser les effets de lentille thermique dans les systèmes ultrarapides

Aider les systèmes ultrarapides à ne pas s’échauffer

Les courtes durées d'impulsion et les puissances de crête élevées des lasers ultrarapides les rendent idéaux pour un large éventail d'applications allant du traitement de matériaux aux lasers médicaux, en passant par l'imagerie non linéaire et la microscopie. Cependant, les lasers ultrarapides sont particulièrement sensibles à l'effet de lentille thermique, où la chaleur entraîne une déformation ou un gradient d'indice de réfraction du milieu de gain ou de l'optique intracavité. Cela peut être préjudiciable aux systèmes ultrarapides, voire les empêcher de se verrouiller en mode pour produire un faisceau pulsé. Heureusement, les progrès réalisés dans les miroirs intracavité hautement dispersifs par UltraFast Innovations (UFI), partenaire d'Edmund Optics, permettent de développer des optiques dont les effets thermiques sont négligeables.

 Pourquoi la lentille thermique est-elle un sujet brûlant ?

L'effet de lentille thermique peut se produire si un milieu de gain actif est plus chaud le long de l'axe du faisceau par rapport au reste du milieu, ce qui entraîne un gradient transversal de l'indice de réfraction. Cela peut désaligner la cavité laser et entraîner des profils de mode laser différents et des dérives dans le pointage du faisceau. Les miroirs intracavité sont également un élément essentiel des oscillateurs ultrarapides, et les effets thermiques peuvent également les déformer. Lors de la focalisation d'un faisceau dans un cristal laser, les modifications du rayon de courbure d'un miroir peuvent changer la position de focalisation et même empêcher le laser ultrarapide de se verrouiller en mode, le rendant ainsi inutile. Bien qu'il n'y ait pas grand-chose à faire pour modifier les propriétés thermiques inhérentes d'un milieu de gain, il est possible de choisir avec soin les bons miroirs intracavité pour éviter les effets de lentille thermique.

 La solution : Miroirs spécialisés hautement dispersifs

Les développements récents dans la conception des traitements ont permis de mettre au point des miroirs à faibles pertes, hautement dispersifs et aux effets thermiques négligeables. Ces miroirs sont obtenus en manipulant soigneusement les différents paramètres des traitements optiques. Outre la stabilité thermique, les miroirs doivent encore offrir une réflectivité élevée et une dispersion de retard de groupe (GDD) négative pour compenser la GDD positive présente dans la plupart des milieux optiques. La Figure 1 montre la réflectivité et la GDD du miroir #17-070 (ou référence UFI HD64), un miroir hautement dispersif avec un effet de lentille thermique négligeable conçu pour être utilisé avec des lasers ultra-rapides de 1030 nm. Ces miroirs sont extrêmement utiles pour les lasers à l’état solide de haute puissance tels que les lasers Yb:YAG, Nd:YAG, holmium et thulium.

Figure 1 : Performances spectrales et GDD de #17-070, correspondant à la référence HD64 d'UltraFast Innovations, un miroir hautement dispersif de 1030 nm avec une lentille thermique négligeable.

Test des performances thermiques

Ces nouveaux miroirs hautement dispersifs ont été testés pour caractériser le niveau de leur effet de lentille thermique. Une caméra infrarouge (FLIR SC305) a été utilisée pour surveiller la température des miroirs intracavité à l'intérieur d'un laser Yb:YAG à disque mince en mode d'onde continue (CW). Un miroir typique hautement réfléchissant avec une GDD de -3 000 fs² sans la nouvelle technologie de réduction des effets de lentille thermique a connu une augmentation de température de >50K (Figure 2). Cela a entraîné une détérioration de la stabilité du mode laser et de l'oscillateur. Cependant, des miroirs hautement dispersifs avec des GDD de -1 000 fs² et -3 000 fs² ont été testés dans la même configuration et ont subi des changements de température de 10K et 20K, respectivement (Figures 3 et 4). Ces miroirs n'ont montré aucun effet notable induit par la chaleur sur la stabilité du mode ou de l'oscillateur, et le laser a pu fonctionner comme prévu.

Figure 2 : Le miroir hautement réfléchissant sans nouveau traitement à faible effet de lentille thermique a subi un changement de température de 57K, ce qui a entraîné une détérioration des performances du système.

Figure 3 : Le miroir à faible effet de lentille thermique avec une GDD de -1 000 fs² a subi un changement de température de 10K et n'a pas subi de détérioration détectable des performances due à la chaleur.

Figure 4 : Le miroir à faible effet de lentille thermique avec une GDD de -3 000 fs² a subi un changement de température de 20K et n'a pas subi de détérioration détectable des performances due à la chaleur.