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Aider les systèmes ultrarapides à ne pas s’échauffer

 

L’effet de la lentille thermique menace de mettre inutilisables certains systèmes ultrarapides de haute puissance.

 

Les possibilités de rendre les milieux de gain moins sensibles aux effets thermiques sont limitées.

 

Les composants optiques intracavité peuvent être conçus pour minimiser l'effet de lentille thermique.

 

Les progrès récents dans les miroirs hautement dispersifs aident à résoudre ce problème.

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.

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.
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.

Il a été démontré que les miroirs à pied maintiennent mieux la planéité de la surface que les miroirs conventionnels (facteur de 2).
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.
Il a été démontré que les miroirs à pied maintiennent mieux la planéité de la surface que les miroirs conventionnels (facteur de 2).
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.
Il a été démontré que les miroirs à pied maintiennent mieux la planéité de la surface que les miroirs conventionnels (facteur de 2).
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.

Miroirs ultrarapides à faible effet de lentille thermique chez Edmund Optics®

UFI

Miroirs Ultrarapides Hautement Dispersifs 1030 nm à Effets de Lentille Thermique Réduits d’UltraFast Innovations (UFI)

  • Traitement ultrarapide hautement dispersif avec un effet de lentille thermique réduit
  • GDD fortement négative jusqu’à -1000 fs2 à un angle d’incidence de 5°
  • >99,5% de réflexion minimum (polarisation p) sur une largeur de bande de 50 nm
  • Idéaux pour la génération d'impulsions ultracourtes de haute puissance
UFI

Miroirs Personnalisés à Effets de Lentille Thermique Réduits

Besoin d’un miroir à une longueur d’onde ou GDD différente? Faites-nous savoir quelles sont les spécifications dont vous avez besoin. Edmund Optics® et UltraFast Innovations collaboreront pour fabriquer des miroirs personnalisés adaptés à vos besoins.

Références

  1. O. Pronin “Towards a Compact Thin-Disk-Based Femtosecond XUV Source”, Dissertation à la faculté de physique de l’Université r Ludwig–Maximilians–Universität, Munich, 2012.

FAQ

Dr. Vladimir Pervak, expert de renommée mondiale en matière de traitements ultrarapides d'UltraFast Innovations, répond à plusieurs questions fréquemment posées par les clients.

FAQ  Les miroirs à faible effet de lentille thermique sont-ils nécessaires pour les lasers Ti:saphir ?
Non, la puissance moyenne des lasers Ti:saphir n'est généralement pas assez élevée pour qu’un effet de la lentille thermique soit un problème, de sorte que des miroirs hautement dispersifs sans technologie thermiquement stable peuvent être utilisés. Un faible effet de lentille thermique est toutefois important pour les lasers à l’état solide de haute puissance, tels que les lasers Er:YAG, Nd:YAG, holmium et thulium.
FAQ  Les miroirs à faible effet de lentille thermique sont-ils nécessaires pour les lasers à fibre ?

Non, les lasers à fibre n'ont pas de cavité à l'état solide où ces effets thermiques peuvent se produire, donc encore une fois, des miroirs hautement dispersifs sans la technologie thermiquement stable peuvent être utilisés. Un faible effet de lentille thermique est toutefois important pour les lasers à l’état solide de haute puissance, tels que les lasers Yb :YAG, Nd:YAG, holmium et thulium.

FAQ  Les miroirs à faible effet de lentille thermique sont ils en vente chez Edmund Optics?

Oui, Edmund Optics offre des miroirs à faible effet de lentille thermique comme produits standard disponibles pour une livraison immédiate. Si vous avez besoin d'un de ces miroirs, comme le numéro de pièce UFI HD73 ou un autre avec des spécifications différentes, contactez-nous pour discuter d'une conception personnalisée.

FAQ  Tous vos miroirs hautement dispersifs ont-ils un effet de lentille thermique négligeable ?

Non, la création de miroirs à faible lentille thermique nécessite une manipulation minutieuse des paramètres de traitement et des compromis avec d'autres spécifications. Si les effets thermiques sont une préoccupation pour votre application, ils doivent être pris en compte avec des optiques spécifiquement conçues pour ces conditions.

Ressources techniques

Notes d’application

Informations techniques et exemples d’applications comprenant des explications théoriques, des équations, des illustrations graphiques, etc.

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Ultrafast Lasers – The Basic Principles of Ultrafast Coherence
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Propriétés thermiques des substrats optiques
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Vidéos

Vidéos apportant d'excellents conseils et offrant des présentations basées sur des applications utilisant nos produits.

Miroirs Ultrarapides Hautement Dispersifs pour la compensation de la dispersion
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Webinaires

Webinaires enregistrés d’experts Edmund Optics® sur une grande variété de sujets d’optique et d’imagerie.

Optiques ultrarapides : Défis et solutions 
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