Que ce soit dans la technologie médicale, les télécommunications ou l'aérospatiale : dans de nombreux secteurs industriels, la demande de lasers haute performance augmente. Les utilisateurs attachent une grande importance à la rentabilité et à la stabilité des systèmes. L'Institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT a récemment réalisé des avancées significatives dans le développement de lasers à diodes haute performance efficaces et stables. En principe, il a transféré l'écriture des réseaux de Bragg en fibre du monde des lasers à fibres aux lasers à diodes. Dr. Sarah Klein a développé le procédé dans le cadre de sa thèse et a récemment remporté la 3ème place au prestigieux prix Hugo-Geiger.
Avec l'aide des réseaux de Bragg en fibre (FBG), la complexité des systèmes laser à fibre peut être considérablement réduite. Lorsque les réseaux optiques sont directement inscrits dans la fibre, ils peuvent remplacer les miroirs de résonateur externes. Cela élimine le besoin d'un réglage complexe des miroirs. Alors que la complexité du système, la sensibilité aux perturbations et les coûts diminuent grâce à l'intégration directe dans la fibre, la brillance du rayonnement laser émis augmente.
Concept d'intégration de fibre
Le procédé établi pour les fibres monomodes pour introduire des FBG à l'intérieur de fibres optiques de six micromètres de diamètre de cœur a été développé avec une contribution significative de l'Institut Fraunhofer ILT dans le cadre du projet de financement EKOLAS du BMBF en 2019. Coordonné par Laserline, le consortium a réussi à écrire des réseaux de Bragg en fibre à l'aide de lasers UKP dans des fibres de quartz avec un diamètre de cœur de 100 micromètres : le matériau fond brièvement sous l'influence des impulsions laser ultracourtes, se refroidit très rapidement et modifie ses propriétés optiques dans les volumes ainsi traités. La structure introduite est basée sur un motif d'interférence conçu à cet effet de superposition d'ondes lumineuses.
Un seul FBG de 100 micromètres de diamètre suffit pour intégrer les miroirs de résonateur externes dans la fibre et optimiser les lasers à fibre multimodes de plusieurs manières. Ce procédé développé par Dr. Sarah Klein a également été transféré aux lasers à diodes couplés à la fibre dans le cadre de son travail de thèse et a été récompensé le 19 février 2025 avec la 3ème place du prestigieux prix Hugo-Geiger, décerné chaque année par l'État libre de Bavière et la société Fraunhofer.
Même concept - nouvel objectif
Dans son travail, Klein s'est également concentrée sur l'optimisation des lasers à diodes nécessaires pour pomper des lasers à état solide. Cela change l'objectif. Contrairement aux lasers à fibre, les FBG dans cette application servent à améliorer les propriétés spectrales du rayonnement des lasers à diodes. Contexte : pour élever le niveau d'énergie du milieu actif laser lors du pompage optique, celui-ci est excité avec une longueur d'onde spécifique. Car ce n'est que dans ce cas que le milieu peut absorber cette radiation de manière optimale.
Mais les lasers à diodes émettent sur une large bande. La chercheuse a donc élaboré un concept pour réduire délibérément la bande passante et stabiliser la longueur d'onde du rayonnement laser. Central à cette approche est à nouveau un réseau de Bragg en fibre directement inscrit. Cela garantit que les lasers à diodes haute performance n'émettent que la longueur d'onde souhaitée. Cette augmentation de la brillance rend l'apport d'énergie dans le laser à état solide beaucoup plus efficace et donc moins coûteux. Un énorme avantage pour les applications industrielles où la rentabilité et l'efficacité énergétique jouent un rôle de plus en plus important !
Intégration complexe
Le développement du procédé a été avancé par Klein dans le cadre d'un projet autonome de la société Fraunhofer. Ici aussi, comme dans le projet EKOLAS, il s'agissait d'inscrire des réseaux optiques dans des fibres multimodes utilisées comme guides d'ondes pour les lasers à diodes. « Normalement, en technologie laser, il s'agit de miniaturisation. Dans mon travail de recherche, c'était exactement l'inverse », explique-t-elle. À partir de six micromètres de diamètre de cœur, elle a dû transférer le processus UKP jusqu'à 100 micromètres. Le défi résidait dans le détail : l'alignement sans faille et précis des segments de FBG était extrêmement compliqué à réaliser. La gestion de l'énergie était également très difficile. Pour inscrire les nombreux réseaux dans les fibres multimodes beaucoup plus grandes en une seule étape, elle aurait théoriquement dû multiplier l'apport d'énergie. Mais cette variante a été écartée dès le départ.
Klein a relevé le défi en enchaînant plus d'une douzaine de FBG de seulement six micromètres lors de plusieurs processus d'exposition. Il était essentiel de travailler de manière fluide. « Le procédé d'écriture aurait été beaucoup plus simple avec une géométrie de cœur carrée », rapporte-t-elle. L'inscription des FBG jusqu'aux bords extérieurs a été extrêmement compliquée dans la précision requise. Mais dans un souci de réflexion maximale du réseau pour une construction de résonateur efficace du laser à fibre, cette précision sans faille était incontournable.
Lors du transfert de ce concept pour la stabilisation de fréquence des lasers à diodes, l'objectif principal était de concevoir les propriétés des FBG de manière à ce que le laser à diodes n'émette plus qu'une longueur d'onde souhaitée. Dans ce cadre, Klein ne visait plus à maximiser la réflectivité des FBG. Au contraire, elle a spécifiquement ajusté les propriétés des FBG pour optimiser les propriétés spectrales du rayonnement des lasers à diodes, par exemple pour des applications de pompage.
Récompense du prix Hugo-Geiger
Pour les lasers multimodes, la conception optique des FBG ainsi que leur inscription directe dans le processus laser UKP n'ont jusqu'à présent été que peu explorées. La nouvelle lauréate du prix Hugo-Geiger a changé cela avec sa thèse « Réseaux de Bragg en fibre pour la stabilisation de fréquence des diodes laser haute performance multimodes et des lasers à fibre ». « Je suis très heureuse de cette importante distinction ! Elle me montre que j'avais raison avec mon idée de transférer le concept établi pour les lasers à fibre monomodes à d'autres sources laser », déclare Klein.
En plus de cette confirmation par le prix prestigieux, elle reçoit également une pleine reconnaissance pour ses recherches dans son institut. « Nous félicitons Dr. Sarah Klein pour ce prix, qui souligne la haute qualité scientifique de son travail. Sur la base des connaissances acquises, il sera possible à l'avenir de se passer d'éléments optiques externes dans les lasers à diodes multimodes, ce qui réduira la complexité du système, les efforts de montage, la sensibilité aux perturbations et les coûts. En même temps, la nouvelle possibilité de stabilisation spectrale de ces sources lumineuses élargit leur potentiel d'application - que ce soit en tant que sources de pompage hautement efficaces ou en tant que sources lumineuses pour la technologie de communication, la sensorique et le traitement laser direct dans la production industrielle », déclare Dr. Jochen Stollenwerk, directeur par intérim de l'Institut Fraunhofer ILT.
CONGRÈS MONDIAL DE LA PHOTONIQUE 2025 à Munich
Les personnes intéressées peuvent en apprendre davantage sur les dernières évolutions des lasers à diodes haute performance lors du CONGRÈS MONDIAL DE LA PHOTONIQUE du 22 au 27 juin 2025 à Munich. Dr. Klein animera le 26 juin à partir de 15 heures le panel d'application « Lasers à diodes haute puissance – nouvelles étapes en matière de puissance, de spectre et d'efficacité ».
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