Gain en puissance et réduction d’impulsion des lasers ultracourts Amplitude pour améliorer la productivité

Ces 20 dernières années, Amplitude a continuellement amélioré la puissance de ses lasers. En 2001, notre premier système était un laser solide 1 W. Notre objectif 2020 est de développer un laser 1000 W.

Les traitements hautes cadences ont ouvert la voie à de nouvelles technologies et applications, tels que la texturation de surface ou le forage à haute cadence. Le gain de puissance des lasers et la réduction d’impulsions ont aussi été sources d’opportunités et d’applications, souvent à l’avant-garde des applications scientifiques et industrielles : la génération d’harmoniques élevées, d’EUV (Extreme-Ultra-Violet), et de rayons X doux.

Ci-dessous, Clemens Hönninger, responsable du pôle R&D à Amplitude, explique comment l’amélioration de la puissance et la réduction de l’impulsion jouent un rôle vital dans notre industrie en constante évolution :

 

En quoi consiste donc cette montée en puissance ?

Cela consiste à augmenter la puissance en sortie d’un laser sans impacter d’autres paramètres et performances essentielles comme par exemple la qualité du faisceau. L’objectif de ce gain est d’améliorer la productivité : l’usinage devient non seulement plus rapide, mais aussi plus efficace minimisant ainsi totalement tout dommage potentiel sur le matériau travaillé.

Amplitude a donc développé un amplificateur solide hybride à fibre dans le but d’avoir un laser femtoseconde qui puisse délivrer 100 W de puissance moyenne avec impulsions à forte énergie et un taux de répétition flexible.

Un oscillateur fibre génère une série d’impulsions ultracourtes, de l’ordre du femtoseconde, à un taux de répétition élevé. Pour obtenir des impulsions à forte énergie tout en ayant une certaine puissance moyenne, le taux de répétition doit être réduit. Un tel résultat peut être obtenu en plaçant un signal de synchronisation entre l’oscillateur et la chaine d’amplification. Puis, la section d’amplification à fibre accroît la puissance et l’énergie tout en maintenant des impulsions courtes. Quand la lumière est confinée entre 10 et 30 micromètres de fibre, la densité énergétique doit être limitée afin d’éviter des effets non linéaires ou des dommages à la fibre. C’est la raison pour laquelle l’énergie est amplifiée ensuite à travers une section d’amplificateur solide, comme un cristal dopé ytterbium.

 

 

 

 

Gain de puissance et réduction d’impulsions

Les lasers femtosecondes industriels produisent typiquement des impulsions avec une durée de quelques centaines de femtosecondes, une énergie qui se place sur une échelle d’1 mJ, et une puissance crête de plusieurs GW (cette dernière étant proportionnelle au ratio d’énergie par impulsions et de durée d’impulsion). Plusieurs applications, particulièrement avec la génération d’harmoniques élevées, d’EUV et de rayons X doux, requièrent des puissances crêtes bien plus élevées. Il faut donc augmenter encore plus la puissance énergétique et réduire la durée d’impulsion pour générer une puissance crête plus élevée.

La réduction d’impulsion est d’ailleurs devenue une méthode populaire pour atteindre des puissances crêtes élevées.

Sur le plan physique, réduire la durée d’impulsion consiste à élargir le spectre des impulsions du laser grâce à des procédés non linéaires rencontrés pendant la propagation d’une impulsion laser à travers un médium non linéaire. Puis, ces impulsions élargies sur le spectre peuvent être temporellement compressées dans une station de compression en aval, qui consiste typiquement en un ensemble de miroirs comprimés et adaptés pour une telle utilisation.

Pour raccourcir les impulsions, on utilise la circulation à travers une fibre creuse ou une cellule multi-pass afin d’élargir le spectre du laser via par non-linéarité. L’expérience fut faite avec un Tangor 100 W et des impulsions énergétiques entre 50 et 500 µJ.

Les résultats ont montré une qualité de faisceau excellente.

 

 

 

Résumé

Combiner un accroissement de la puissance avec la réduction d’impulsion a ouvert bien de nouvelles applications évoluant dans les secteurs scientifiques et industriels, et finalement, floutant la division entre ces deux mondes. Comme nous le savons, de nouvelles applications peuvent apparaître et rapidement évoluer. En tant que leader sur le marché de la conception laser, Amplitude continue à développer des lasers avec notamment des durées d’impulsions de plus en plus courtes pour répondre à ces besoins qui évoluent constamment.