État actuel et applications du développement des lasers à fibre haute puissance

Abstrait

Définition, structure et classification des lasers de haute puissance, avec une comparaison avec les lasers traditionnels : résumé des avantages et des inconvénients des lasers à fibre

Cet article propose un aperçu des lasers de haute puissance, en commençant par leur définition, leur structure et leur classification. Il compare les lasers de haute puissance aux lasers traditionnels, en soulignant les avantages et les inconvénients des lasers à fibre.

Développement des lasers à fibre de haute puissance : une perspective mondiale

L’article poursuit en discutant du développement des lasers à fibre haute puissance à l’échelle nationale et internationale, offrant un aperçu des progrès réalisés dans ce domaine.

Technologies clés des lasers à fibre haute puissance : une étude approfondie

Une partie importante de l'article est consacrée à l'étude des technologies critiques des lasers à fibre de haute puissance. Une attention particulière est portée au milieu de gain et à la technologie de couplage de pompe des lasers à fibre. Le milieu de gain comprend des fibres dopées à double gaine et des fibres à cristaux photoniques. Les technologies de couplage de pompe englobent les techniques de pompage d'extrémité et de pompage latéral.

Mots clés

Laser à fibre haute puissance, fibre à gain, couplage de pompe

1. Introduction.

Les lasers à fibre sont une catégorie de lasers qui utilisent des fibres optiques comme matériau hôte, dopées avec divers ions de terres rares tels que l'ytterbium (Yb), le néodyme (Nd), etc. [1]. Comme d'autres types de lasers, les lasers à fibre se composent d'une source de pompage, d'un système optique de couplage, d'un milieu de gain (fibre de gain), d'une cavité résonante et d'un système optique de collimation, comme illustré dans la figure 1. La fibre de gain dans un laser à fibre sert de milieu pour la génération de photons, où la source de pompage fonctionne comme une source d'énergie externe pour réaliser une inversion de population dans le milieu de gain. La cavité résonante optique, composée de deux miroirs, est conçue pour fournir une rétroaction aux photons et pour les amplifier dans le milieu de travail. En entrant dans la fibre de gain, la source de pompage est absorbée, ce qui conduit à une inversion de population des niveaux d'énergie dans le milieu de gain. Lorsque le gain dans la cavité résonante dépasse les pertes, une oscillation laser est établie entre les deux miroirs, ce qui entraîne la génération d'une sortie laser.

La structure de la fibre, la structure de la cavité résonante, le niveau de puissance, le milieu de gain et les caractéristiques du laser de sortie, comme illustré dans la figure 2.

Du point de vue de la structure des fibres, les lasers à fibre peuvent être classés en lasers à fibre à simple gaine, lasers à fibre à cristal photonique, lasers à fibre à double gaine et lasers à fibre spéciaux. En termes de structure de cavité résonante, ils peuvent être classés en cavités Fabry-Perot (FP), cavités annulaires, cavités en forme de huit, lasers à fibre à rétroaction distribuée (DFB) et lasers à fibre à réflecteur de Bragg distribué (DBR).

En fonction des niveaux de puissance, les lasers à fibre sont divisés en lasers à fibre haute puissance, moyenne puissance et faible puissance. En ce qui concerne le milieu de gain, la classification comprend les lasers à fibre plastique, les lasers à fibre dopée aux terres rares, les lasers à fibre optique non linéaire et les lasers à fibre cristalline. Enfin, selon les caractéristiques du laser de sortie, les lasers à fibre peuvent être classés en lasers à fibre à onde continue et en lasers à fibre pulsée.

La comparaison des lasers à fibre avec les lasers traditionnels en termes de caractéristiques est présentée dans le tableau 1. Comme indiqué dans le tableau 1, les lasers à fibre présentent des avantages uniques dans de nombreux aspects. Ils se caractérisent par une qualité de faisceau élevée, une longue durée de vie, une efficacité de conversion électro-optique élevée, une puissance de sortie élevée, une taille compacte et un poids léger [2] [3] [4]. Cependant, les lasers à fibre de haute puissance présentent également certains inconvénients : l'un est la sensibilité aux effets non linéaires, et l'autre est la fragilité de la fibre, qui sert de milieu de gain et est sujette à la rupture.

Tableau 1. Comparaison des lasers à fibre et d'autres lasers

2. L'histoire du développement des lasers à fibre haute puissance

  2.1. État de développement à l'étranger

La technologie laser est née dans les années 1950 et constitue une étape importante dans l'histoire des inventions scientifiques humaines. La naissance du premier laser à rubis au monde en 1960 [5] a suscité l'enthousiasme de nombreux scientifiques pour la recherche. En 1961, Snitzer et ses collègues aux États-Unis ont observé une émission stimulée dans des fibres de verre dopées Nd3± [6], marquant le début de la recherche sur la technologie des lasers à fibre.

À la fin des années 1980, le concept d'une structure de fibre à gain à double gaine a été proposé [7] [8] [9]. Cette structure innovante a amélioré l'efficacité de couplage de la lumière de pompage, augmentant ainsi l'intensité de la sortie laser et améliorant considérablement la puissance de sortie du laser, ce qui a joué un rôle déterminant dans le développement de lasers à fibre haute puissance. En 1993, un laser à fibre à double gaine dopé Nd3± haute puissance a été décrit, avec une puissance de sortie monomode de 5 W [10]. En 1994, HM Pask et d'autres ont décrit le premier laser à fibre à double gaine dopé Yb3±, qui produisait une sortie de 0,5 W à une longueur d'onde de 1040 nm [11].

En entrant dans le 21e siècle, les lasers à fibre de haute puissance ont inauguré une nouvelle ère. En 2000, IPG Photonics a été le premier à réaliser un laser à fibre à onde continue entièrement fibré avec une puissance de sortie de plusieurs centaines de watts. En 2002, J. Limpert et ses collègues ont présenté un laser à fibre à double gaine capable de produire des centaines de watts de puissance laser [12]. Y. Jeong a obtenu une puissance laser de niveau kilowatt à partir d'un laser à fibre en 2004 [13]. En 2005, V. Gapontsev a développé un laser à fibre à double gaine à grande surface de mode dopé Yb3±, qui a atteint une puissance de sortie monomode de 2000 W [14].

En 2006, IPG Photonics a atteint une puissance de sortie continue monomode à fibre unique de 3 kW. Puis, en 2009, ils ont réalisé la première puissance laser à fibre monomode au monde de 10 kilowatts. IPG Photonics est devenu le leader mondial de l'industrie des lasers à fibre haute puissance, surpassant les autres fabricants de lasers. Par la suite, en 2012 et 2013, des résultats expérimentaux ont été rapportés avec une puissance de sortie monomode à fibre unique atteignant 20 kW et une puissance de sortie multimode atteignant 100 kW, respectivement. En 2019, le niveau de sortie le plus élevé pour les lasers à fibre produits par IPG Photonics était de 500 kW pour le multimode et de 20 kW pour le monomode. La société a développé une variété de lasers à fibre et occupe une part importante du marché des lasers à fibre haute puissance. La puissance de sortie des premiers lasers à fibre n'a pas augmenté rapidement, mais après 2002, la puissance de sortie des lasers à fibre a connu une croissance significative [15].

Plusieurs institutions de recherche à l’étranger ont contribué au développement de lasers à fibre haute puissance, notamment l’Université de Southampton et le SPI au Royaume-Uni, IPG Photonics en Allemagne et Bell Labs aux États-Unis, entre autres.

2.2. État de développement national

Les recherches sur les lasers à fibre de haute puissance en Chine ont commencé à la fin des années 1980 à grande échelle. À ce jour, plusieurs institutions ont été impliquées dans la recherche sur les lasers à fibre, notamment l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai et l'Université Tsinghua, entre autres. Dans le secteur des entreprises, des sociétés telles que Wuhan Raycus, FiberHome et AviOpto se sont engagées dans la recherche et le développement de lasers à fibre.

3. Technologies clés des lasers à fibre haute puissance 3.1. Fibres à double gaine En 1989, l'Université Tsinghua a présenté un laser à fibre dopé Nd3± accordable avec une plage de réglage de 1077 à 1138,6 nm et une efficacité de pente de 9,2 % [16]. En 1990, CY Chen et ses collègues à Taiwan ont présenté un laser à fibre dopé Er3± accordable avec une plage de réglage de 1522 à 1567 nm [17].

En 2003, l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences a signalé une configuration laser utilisant des fibres à double gaine dopées Yb3±, atteignant une puissance laser continue de 107 W. En 2005, en collaboration avec FiberHome à Wuhan, ils ont développé un laser à fibre à double gaine dopée Yb3± qui a atteint une puissance laser continue de 440 W à partir d'une seule fibre [18].

En 2006, l'Université Tsinghua a utilisé des fibres à double revêtement dopées miroir produites localement pour obtenir une puissance de sortie continue de 714 W à partir d'un laser à fibre. La même année, en août, le 11e Institut de recherche de la China Electronics Technology Group Corporation a développé avec succès un laser à fibre haute puissance avec une puissance de sortie moyenne atteignant 1207 W [20].

Français En 2010, l'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai a signalé un laser à fibre dopé Yb3± pompé par gaine avec une puissance de sortie de 1750 W [21]. En 2012, Wuhan Raycus, en collaboration avec HuaGong Laser, a développé un laser tout en fibre avec une puissance de sortie de 4 KW. En 2015, l'Académie chinoise d'ingénierie physique a obtenu une puissance laser continue de 5 kW à partir d'une seule fibre en utilisant une technologie importée. En 2017, Liu Zejin et ses collègues de l'Université nationale de technologie de la défense ont obtenu une puissance laser combinée de 5,02 kW [22]. En 2018, l'Académie chinoise d'ingénierie physique a obtenu une puissance laser tout en fibre de niveau kilowatt [23] [24]. En 2020, Yang Baolai et ses collègues de l'Université nationale de technologie de la défense ont réalisé une percée en termes de puissance de sortie de 6 KW à partir d'un oscillateur laser tout en fibre [25].

3. Technologies clés des lasers à fibre haute puissance

La fibre de gain, qui sert de milieu de gain dans les lasers à fibre, joue un rôle crucial dans la réduction de l'ouverture numérique élevée de la lumière de pompage, ce qui a un impact significatif sur la qualité du faisceau de sortie du laser. Avec l'avancement de la technologie des fibres, les fibres de gain ont évolué des premières structures à simple gaine aux configurations actuelles à double gaine, et le diamètre du cœur de la fibre est passé de cœurs plus petits à des cœurs plus grands. Cette section traite principalement des fibres à double gaine et des fibres à cristaux photoniques.

3.1 Fibre à double gaine

À la fin des années 1980, Snitzer et ses collègues ont introduit le concept de structure de fibre à gain à double gaine pour les lasers à fibre haute puissance [26]. La structure des fibres à double gaine diffère de celle des fibres conventionnelles [27] [28], comprenant quatre composants principaux : le cœur, la couche protectrice, la gaine intérieure et la gaine extérieure, comme illustré dans la figure 3.

Des recherches ultérieures ont montré que la forme du revêtement intérieur affecte l'efficacité de la pompe. Par conséquent, des revêtements intérieurs de formes diverses ont été développés [29] [30].

3.2 Fibre à cristal photonique

En 1987, E. Yablonovitch a introduit le concept de cristaux photoniques [33] et, peu de temps après, les fibres à cristaux photoniques (PCF) ont fait leur apparition dans le domaine de la technologie des fibres optiques [34] [35] [36]. Ces fibres sont caractérisées par la disposition périodique de trous d'air à l'échelle de la longueur d'onde dans une matrice de fibres de silice.

Les fibres à cristaux photoniques peuvent être classées en deux types en fonction de leurs mécanismes de guidage : le guidage par indice et le guidage par bande interdite photonique [37]. Bien que les PCF puissent sembler similaires aux fibres monomodes traditionnelles dans leur apparence extérieure, elles diffèrent considérablement au niveau microscopique. Cette singularité confère aux PCF des propriétés qui ne sont pas présentes dans les fibres monomodes conventionnelles, telles qu'une transmission monomode infinie, des effets non linéaires exceptionnels et une biréfringence supérieure [38]. Par conséquent, les PCF jouent un rôle essentiel dans le développement de lasers à fibre haute puissance.

3.3 Techniques de couplage de pompe

La technologie de couplage de pompe à fibre est l'une des technologies clés des lasers à fibre, permettant l'injection de lumière de pompage dans la fibre de gain, améliorant ainsi la puissance de sortie des lasers à fibre. La section suivante présente principalement deux techniques : le couplage de pompe d'extrémité et le couplage de pompe latérale.

3.3.1. Accouplement de pompe à facettes

La technologie de couplage de pompe à facettes [39] se caractérise par sa structure et son fonctionnement simples, ce qui en fait la méthode de couplage préférée pour la plupart des lasers à fibre. Il existe principalement deux types de couplage de pompe à facettes :

Pompage par couplage direct de lentille La méthode de pompage la plus courante dans les laboratoires est la pompe à couplage direct de lentille [40], comme illustré dans la Figure 5. Pour obtenir une efficacité de couplage plus élevée, il est nécessaire de faire correspondre l'ouverture numérique du groupe de lentilles et la taille du point focalisé avec la fibre à double gaine. Cette méthode peut produire une sortie laser de haute puissance, mais elle a tendance à être moins stable. Par conséquent, elle est rarement utilisée dans les lasers à fibre commerciaux.

2) Épissage par fusion des facettes des fibres

Lors de l'utilisation d'une source de pompage à semi-conducteur (LD) avec une sortie couplée à une fibre comme source de pompage pour un laser à fibre, la fibre de sortie de la LD peut être directement épissée par fusion à une extrémité de la fibre à double gaine. Cette configuration, associée à un réseau de Bragg sur fibre, forme un laser entièrement structuré en fibre [41] [42]. Cette méthode permet d'obtenir une structure robuste capable de produire une sortie laser de haute puissance. Cependant, le réseau LD de haute puissance utilisé comme source de pompage nécessite un refroidissement par semi-conducteur. La lumière laser émise doit subir une mise en forme du faisceau, une collimation et une focalisation avec des miroirs asphériques dans une fibre d'un diamètre de quelques centaines de micromètres. En conséquence, le système global a tendance à être plus volumineux, plus complexe dans sa construction et plus coûteux, comme illustré dans la figure 6.

3.3.2. Accouplement latéral de la pompe

La technologie de couplage latéral implique le retrait du revêtement extérieur et de la couche protectrice d'une fibre à double revêtement, suivi du couplage de la lumière de pompage dans le revêtement intérieur d'un côté [43] [44] [45] [46]. Cette section présente principalement deux méthodes de couplage : le couplage de pompe latérale à rainure en V et le couplage de pompe à miroir intégré.

1. Accouplement de pompe latéral à rainure en V La technique de couplage de pompe latérale à rainure en V consiste à retirer la gaine extérieure d'une fibre à double gaine, puis à meuler une rainure en V sur la gaine intérieure, comme illustré dans la figure 7. L'efficacité de couplage la plus élevée signalée à l'aide de cette méthode atteint 76 %. Cette approche de couplage est simple dans son principe et peut atteindre une puissance de sortie élevée. Cependant, elle présente certains inconvénients. Par exemple, il est difficile de fabriquer une rainure en V sur la fibre à double gaine, et une mauvaise exécution peut affecter les performances de la fibre. De plus, la rainure en V ne peut être gravée qu'aux deux extrémités. Par conséquent, cette technologie est encore en phase de développement en Chine.

2) Accouplement de pompe à miroir intégré

Cette technique représente une avancée par rapport à la technologie de couplage de pompe latérale à rainure en V. Elle consiste à meuler une rainure carrée sur la surface du revêtement intérieur de la fibre à double revêtement (il faut veiller à ce que la profondeur de la rainure n'endommage pas le cœur de la fibre), puis à coller un miroir réfléchissant sur la rainure carrée à l'aide d'un ciment optique. La structure spécifique est illustrée à la figure 8. Cette méthode offre les avantages d'une efficacité de couplage élevée et d'un faible coût. Cependant, comme pour la technologie de couplage de pompe latérale à rainure en V, les résultats de gravure de la rainure dans le revêtement intérieur peuvent affecter les performances et les caractéristiques de transmission de la fibre.

4. Applications des lasers à fibre haute puissance

Actuellement, grâce aux progrès de l'industrie, de la science et de la technologie, les lasers à haute puissance commencent à être largement utilisés dans de nombreux secteurs, en particulier les lasers à fibre haute puissance. Associés aux avantages mentionnés ci-dessus, les lasers à fibre sont sur le point d'être déployés à grande échelle.

4.1 Marquage laser à fibre

La technologie de marquage au laser consiste à utiliser des faisceaux laser pour irradier la surface de l'objet à traiter, gravant ainsi des motifs, des chiffres ou d'autres dessins avec une certaine profondeur et une certaine couleur sur la surface, laissant une marque permanente. L'application du marquage au laser est vaste, englobant des domaines tels que les accessoires informatiques, les pièces automobiles, etc. Les machines de marquage laser à fibre offrent une qualité de faisceau supérieure et une efficacité de conversion photoélectrique supérieure par rapport aux machines de marquage laser CO2 et YAG traditionnelles. En conséquence, les machines de marquage laser à fibre remplacent progressivement les équipements de marquage conventionnels.

4.2. Découpe laser

Avec l'approfondissement continu de la recherche sur les lasers optiques, divers lasers à fibre haute puissance ont été développés, ce qui a conduit à une gamme d'applications de plus en plus large pour les machines de découpe laser à fibre. Ils sont désormais couramment utilisés dans des secteurs tels que l'automobile, la publicité, le traitement de la tôle et la fabrication d'armoires de serveurs.

4.3. Applications dans le domaine médical

Actuellement, les lasers principalement utilisés dans les milieux médicaux cliniques sont les lasers au dioxyde de carbone et les lasers YAG. Cependant, ces appareils présentent plusieurs inconvénients, notamment leur grande taille, la faible qualité du faisceau, la nécessité d'un système de refroidissement par eau massif et les difficultés liées à l'installation. Avec l'avancement de la technologie des fibres, l'émergence des lasers à fibre a parfaitement résolu ces problèmes. Par conséquent, les lasers à fibre sont largement utilisés dans les applications médicales. Par exemple, ils sont utilisés dans les interventions chirurgicales des tissus mous, la chirurgie oculaire au laser pour la correction de la myopie, les opérations de resurfaçage de la peau, etc. Les lasers à fibre sont plus portables et sont sur le point de remplacer progressivement une partie importante des sources lumineuses existantes dans les applications médicales. La petite taille du spot des lasers à fibre permet des interventions chirurgicales plus précises.

4.4. Applications dans le domaine militaire

En raison de leurs caractéristiques exceptionnelles telles qu'une luminosité élevée, une très petite zone d'irradiation et une facilité d'utilisation, les lasers à fibre haute puissance sont depuis longtemps au centre des recherches pour le développement d'armes laser dans le domaine militaire. L'application des lasers à fibre haute puissance aux armes offensives a le potentiel de détruire complètement des cibles exceptionnellement robustes. Dans le domaine du développement des armes laser, les États-Unis ont fait preuve d'une importance remarquable. Par exemple, ces dernières années, le personnel de recherche de l'US Air Force s'est consacré à la recherche technologique innovante sur les systèmes laser à fibre. Il est évident que dans l'avenir des applications militaires, les armes laser démontreront une tendance de développement particulièrement importante et offriront une garantie solide et efficace pour améliorer les capacités de combat militaire.

5. Perspectives

Les lasers à fibre, connus comme la troisième génération de lasers, présentent de nombreux avantages tels qu'une qualité de faisceau élevée, une efficacité de conversion électro-optique élevée et de faibles coûts de maintenance. Par conséquent, les lasers à fibre sont destinés à être largement utilisés dans des secteurs tels que la fabrication industrielle, le traitement médical et les opérations militaires. Si l'on considère l'état actuel des lasers à fibre en termes de bénéfices et de chiffre d'affaires, il est probable que les lasers à fibre haute puissance domineront le marché du laser à l'avenir. Par conséquent, les fabricants de lasers nationaux et internationaux ont manifesté un grand intérêt pour le développement de lasers à fibre haute puissance.

Cependant, il existe encore un écart entre la recherche et la production de lasers à fibre de haute puissance en Chine et celles des entreprises étrangères. On espère que les équipes de recherche scientifique chinoises pourront réaliser des percées significatives dans la technologie du laser à fibre pour réduire cet écart avec le reste du monde. Le développement des lasers à fibre a été rapide, évoluant des premières puissances de faible puissance aux puissances laser actuelles de l'ordre du kilowatt.

Avec les progrès de l'industrie, de la science et de la technologie, les lasers à fibre sont voués à être largement utilisés dans de nombreux secteurs, en particulier les lasers à fibre haute puissance. Compte tenu des avantages inhérents aux lasers à fibre, les tendances suivantes peuvent être anticipées dans le développement des lasers à fibre haute puissance au cours des prochaines années :