Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 16 - 17  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
16 17
qui, grâce à une bande d’amplification extrêmement large (permettant l’amplification d’impulsions de quelques dizaines de femtosecondes), a commencé à supplanter les lasers à base de verres dopés au néodyme. Les CPA ont ainsi vu leur facteur d’étirement notablement amélioré jusqu’à atteindre actuellement des valeurs typiquement de 10 5, démontrant alors l’intérêt indéniable de cette technique pour les lasers ultra-intenses. Les développements industriels Une autre conséquence importante du CPA concerne le développement de lasers CPA moins énergétiques mais ultracompacts, avec des puissances crête de l’ordre du GW [8]. Ce nouveau type de lasers a rapidement prouvé un très fort potentiel d’industrialisation. Ils sont, en effet, suffisamment intenses (10 13 - 10 14 W cm -2) pour permettre une découpe athermique de très grande qualité (voir l’article de M. Sentis, p.17). Ces lasers intenses ont alors été intégrés dans des outils ophtalmologiques parmi lesquels on peut citer, comme application phare, la découpe de la cornée pour la chirurgie réfractive [9] dont la société IntraLase a été pionnière dès le début des années 1990 (voir l’article de F. Salin, p.18). L’amplification par dérive de fréquence est une technologie vivante. Elle a été intégrée dans de multiples systèmes amplificateurs comme les lasers à base de matériaux dopés à l’ytterbium (Yb) pompés par diode et, en particulier, les fibres amplificatrices dopées Yb (YDFA). Ces systèmes laser permettent d’obtenir des hauts taux de répétition (de 100 kHz à quelques MHz typiquement) et des puissances moyennes importantes (pouvant aller jusqu’au kW). Ils sont donc extrêmement utilisés dans l’industrie. On peut aussi noter les nombreuses avancées sur les étireurs et compresseurs, avec des systèmes pour manipuler la dérive de fréquence de plus en plus précis et compacts (fibres de Bragg, miroirs diélectriques à dispersion contrôlée, réseaux de Bragg très efficaces, modulateurs acousto-optiques programmables, etc.). La technique du CPA a donc gagné en maturité pour devenir primordiale et omniprésente sur le marché des lasers industriels intenses. 16 Reflets de la Physique n°61 entrée sortie L’amplification paramétrique optique R R La technique du CPA a aussi été étendue à d’autres méthodes d’amplification nonlaser comme l’amplification paramétrique optique (OPA), avec les systèmes dits OPCPA (association des sigles OPA et CPA). L’OPA est un effet non linéaire qui consiste à amplifier, à l’aide d’un laser de pompe, deux ondes – respectivement « signal » et « complémentaire » – dont la somme des fréquences est égale à la fréquence du laser de pompe. L’OPA permet ainsi d’amplifier des longueurs d’onde où les transitions laser font défaut. À l’inverse du laser, l’OPA est un phénomène instantané et il permet une amplification temporellement plus ciblée et un meilleur contraste temporel. Ce dernier définit la pureté de l’impulsion  : il est en effet important qu’il n’y ait pas de piédestal avant l’impulsion, car l’énergie qu’il contient peut donner lieu à une inter action lumière-matière avant même l’arrivée de l’impulsion principale et donc modifier radicalement les interactions visées. Ces plan de symétrie I.3. Schéma d’un étireur à réseaux (opérateur D sur la figure I.1). L’étireur à réseaux utilise un système d’imagerie constitué de lentilles (ou de miroirs) afin de réaliser un délai entre les différentes longueurs d’onde, le plus exactement possible inverse à celui du compresseur. Tout comme pour le compresseur, le faisceau passe quatre fois dans les réseaux, étant renvoyé dans le sens inverse au niveau du plan de symétrie. Après un aller-retour, les différentes longueurs d’onde sont spatialement superposées, mais avec des trajets différents  : plus court pour le rouge que pour le bleu. Du point de vue de l’optique géométrique, l’étireur à réseaux peut être considéré comme rigoureusement le système inverse du compresseur à réseaux. La compression de la dérive de fréquence est ensuite de bien meilleure qualité comparée aux premiers étireurs à fibres utilisés qui ne permettent pas cette compensation parfaite de la dérive, notamment à cause des termes d’ordre supérieurs. systèmes OPCPA sont donc particulièrement utilisés, soit pour accéder à de nouvelles longueurs d’onde, soit pour assurer le très bon contraste temporel que demandent les systèmes de classe pétawatts [10]. En conclusion, l’amplification par dérive de fréquence a intégré de nombreuses améliorations et extensions technologiques qui ont permis une dissémination encore plus large des lasers ultra-intenses avec, comme on va le voir dans la suite, de multiples applications industrielles et scientifiques. (a) La limitation en durée est de quelques centaines de femtosecondes pour les verres dopés au Nd et de quelques picosecondes pour les cristaux dopés au Nd. (b) La dérive de fréquence en fonction du temps est typiquement linéaire. Elle correspond par intégration à une phase spectrale parabolique. (c) L’amplificateur utilisé dans cette expérience était de type régénératif  : il consistait à piéger, par des jeux de polarisation, une impulsion dans une cavité laser pour la faire passer un grand nombre de fois dans le milieu laser et ainsi obtenir un fort gain. 4
Intensités moyennes  : applications industrielles Les applications au micro-usinage Marc Sentis (marc.sentis@univ-amu.fr) Laboratoire Lasers, plasmas et procédés photoniques (CNRS/Aix-Marseille Université), 163 Avenue de Luminy, 13009 Marseille À l’origine de la technique d’usinage par laser, il y a la focalisation d’un faisceau laser infrarouge (laser à CO 2 ou verres dopés au Nd par exemple) sur un matériau pour permettre la sublimation ou l’évaporation de matière par effet thermique. Dès la fin des années 1960, le terme « microusinage laser » apparait dans des publications et brevets. Plus largement, le terme générique micro-usinage est utilisé pour désigner un processus permettant de créer des éléments de taille micrométrique. En utilisant un laser impulsionnel, il devient possible de déposer de petites quantités d’énergie en un temps court, ce qui permet de réduire la longueur de diffusion thermique (plus la durée d’impulsion est courte, plus la longueur de diffusion thermique est petite) et d’obtenir un enlèvement de matière précis et reproductible. Ce procédé laser permet donc de découper, percer, graver et de manière générale d’usiner un matériau à de très faibles échelles spatiales, inférieures au micromètre. De plus, par rapport aux techniques traditionnelles de découpe, c’est un procédé sans contact. Nous verrons comment les impulsions ultra-courtes femtoseconde ont permis de passer du micro-usinage au nano-usinage. Les paramètres laser importants pour optimiser le procédé de micro-usinage laser sont la longueur d’onde, la durée d’impulsion, l’énergie délivrée par impulsion, et la puissance moyenne qui est reliée au taux de répétition du laser et à l’énergie par impulsion. 0 0 0 0 C010 1010 0 0 0 0 La longueur d’onde est importante, car elle intervient à la fois sur la précision de l’usinage et sur son rendement. Plus la longueur d’onde sera courte, plus il sera facile de focaliser le laser sur une surface de très petite taille en s’approchant de la limite de diffraction. Par ailleurs, le coefficient d’absorption du matériau dépend de la longueur d’onde, déterminant ainsi sur quelle profondeur le rayonnement laser va pénétrer. À titre d’exemple, les lasers à excimère (a), qui émettent dans le domaine de l’ultraviolet (UV), ont été et sont utilisés pour micro-usiner avec une grande précision de nombreux matériaux. 343nm 353nm 343nm 372nm 01010 0 Avancées de la recherche 362nm 362nm 362nm 0000 II.1. Matrice de nanotrous dans du verre, réalisée par ablation laser (λ = 1053 nm, τ = 600 fs) [12]. Les trous ont une dimension de l’ordre de 350 nm (mesures entre 343 et 372 nm). De telles dimensions, nettement inférieures à la limite de diffraction, sont obtenues grâce aux impulsions femtoseconde intenses pour lesquelles l’ablation est contrôlée par des effets non linéaires. Comparés aux photons infrarouges, les photons UV ont une énergie plus élevée qui permet, comme dans le cas des polymères, la photo-ablation, c’est-à-dire la rupture des liaisons sans échauffement du matériau. La durée de l’impulsion (t) est également un paramètre crucial  : durée et énergie par impulsion sont étroitement liées pour permettre d’atteindre le seuil d’ablation d’un matériau (exprimé en J cm -2). Dans le cas des métaux par exemple, ce seuil est de l’ordre de 0,1 J cm -2 pour des impulsions femtoseconde, soit environ dix fois moindre que pour des impulsions nanoseconde. Reflets de la Physique n°61 17



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 1Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 2-3Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 4-5Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 6-7Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 8-9Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 10-11Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 12-13Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 14-15Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 16-17Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 18-19Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 20-21Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 22-23Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 24-25Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 26-27Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 28-29Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 30-31Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 32-33Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 34-35Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 36-37Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 38-39Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 40-41Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 42-43Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 44-45Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 46-47Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 48-49Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 50-51Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 52-53Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 54-55Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 56