209 - Les lasers : applications et perspectives

L'électrodynamique quantique décrit les relations entre la lumière et la matière, d'un point de vue quantique et relativiste. Elle décrit donc naturellement des phénomènes locaux en temps et en espace. Nous passerons en revue nos travaux sur les mesures que nous pouvons réaliser en laboratoire pour sonder les états quantiques de la lumière et de la matière, avec des résolutions en dessous des longueurs d'onde, en utilisant des laser à impulsions ultracourtes.

L'utilisation de la lumière quantique pulsée promet d'ouvrir la voie à de nouveaux paradigmes en communication, informatique et détection quantiques. L’une des techniques les plus proéminentes pour générer des états lumineux non classiques est la conversion paramétrique descendante (PDC) où les photons d'une pompe optique puissante se séparent en paires de photons intriqués. La PDC est utilisée régulièrement dans la génération de photons uniques annoncés. Les expériences de pointe contemporaines utilisent couramment des impulsions de pompe d'une durée allant de la pico à la nanoseconde pour générer des états intriqués à large bande. Par conséquent, l'intrication est distribuée au travers de nombreux degrés de liberté spatio-temporels.

Dans ce travail, nous démontrons la génération de paires d'impulsions intriquées lumineuses pour les applications dans le domaine temporel. En adaptant la durée de l'impulsion de pompe au temps de cohérence défini par la bande passante du processus de PDC, nous avons produit des impulsions lumineuses intriquées qui occupent plus de 85 % du mode temporel du vide quantique amplifié. Nous avons généré de façon efficace des paires d'impulsions intriquées contenant en moyenne 2x10^6 photons avec une bande passante correspondant à une impulsion de 7 fs. De telles impulsions promettent d’être utiles pour l'optique quantique, dont notre proposition pour l'échantillonnage intra-cycle des champs quantiques dans l’infrarouge moyen.

Depuis l'invention du laser, le besoin d’avoir une énergie d'impulsion, une luminance et des taux de répétition élevés s’est fait ressentir pour de nombreuses applications, telles que l'usinage laser ou la fusion laser. Cependant, les distorsions de front d'onde induites thermiquement et les dommages optiques limitent l'énergie et la puissance réalisables. Les miroirs à conjugaison de phase offrent la possibilité de corriger les distorsions du front d'onde.

Le faisceau réfléchi par un miroir à conjugaison de phase par diffusion Brillouin stimulée ayant naturellement une phase aléatoire, nous proposons ici une méthode interférométrique utilisant deux ondes contrapropagatives qui permet de verrouiller leur phase. Cette méthode se prête également à la création d'un faisceau à haute luminance, sans aberration, en combinant de manière cohérente plusieurs faisceaux grâce à l’association en série de plusieurs de ces interféromètres.

Résumé: À venir

Les fibres à cœur creux remplies de gaz sont régulièrement utilisées pour étirer le spectre d’impulsions laser afin d’ensuite les compresser pour obtenir des impulsions ultra-courtes. Généralement, le processus est basé sur l’automodulation de phase et est relégué au mode de propagation fondamental de la fibre. Pourtant, les fibres à cœur creux offrent une faible dispersion modale, ce qui les rend idéales pour explorer des phénomènes non-linéaires multidimensionnels.

Ici, on démontre que lorsque la fibre est remplie de gaz moléculaire, la présence de modes élevés consolide les effets non-linéaires, ce qui permet de contrecarrer la diffraction et de confiner les impulsions dans l’espace et dans le temps. Au final, les échanges entre les différents modes de propagation au long de la fibre favorisent un renforcement de la diffusion Raman stimulée qui mène à la génération d’impulsions aux caractéristiques solitoniques, facilement compressibles, et dont le spectre est fortement élargi et décalé vers le rouge. Une telle source accordable d’impulsions ultra-courtes de haute intensité offre une nouvelle avenue pour certaines applications d’optique non-linéaire, par exemple pour la génération d’harmoniques d’ordres élevés.

Nous avons développé une méthode générale pour mesurer la durée des impulsions laser ultra-brèves basée sur la génération d’électrons libres dans les matériaux semi-conducteurs et dans les diélectriques ayant une bande d’énergie interdite étroite. Les expériences ont démontré la caractérisation d`impulsions sans contrainte liée à la longueur d’onde, à la largeur de bande et à la polarisation.

Cette méthode fonctionne avec des matériaux tels Si, Ge et ZnSe; elle mène à une sensibilité accrue car le signal détecté est proportionnel à l’énergie de l’impulsion mesurée. La technique fonctionne en configuration pompe-sonde où l’impulsion pompe a besoin d’une intensité suffisante pour promouvoir des électrons libres dans la bande de conduction du matériau. Cela engendre une transition rapide de sa transmissivité sur une échelle de temps correspondant à la durée de l’impulsion pompe. La fonction transitoire est ensuite sondée par l’impulsion sonde et ce mécanisme permet de mesurer les impulsions laser ultra-brèves sans tenir compte de conditions d’accord de phase.

Nous avons ainsi démontré la caractérisation : (i) d’impulsions laser de quelques cycles optiques avec une longueur d’onde centrale variant entre 0,8 et 14 µm, (ii) d’impulsions laser ayant un spectre étendu sur 2,25 octaves dans l’infrarouge, (iii) d’impulsions à très faible énergie étirées temporellement (i.e. 150 nJ/40 ps) et (iv) de deux impulsions simultanément ayant des polarisations croisées.

Les lasers à fibres combinent plusieurs propriétés optiques uniques dont leur qualité de faisceau, leur robustesse ainsi que leur brillance. En particulier, les lasers Ytterbium/silice émettant plusieurs kW au voisinage de 1 micron ont notamment révolutionné le secteur manufacturier de la découpe et de la soudure des métaux. La transmission des fibres de silice décroit cependant rapidement au-delà de 2 microns, ce qui a freiné le développement des sources fibrées dans la région de l’infrarouge moyen. Le développement de fibres optiques en verre fluoré de haut standard de qualité est cependant venu changer la donne.

De fait, grâce à leur transmission s’étendant jusqu’à 5 microns ainsi que leur excellente solubilité aux ions actifs de la famille des lanthanides, les fibres de verre fluoré ont permis le développement d’une nouvelle famille de lasers à fibres opérant dans l’infrarouge moyen. Dans cet exposé, nous allons passer en revue les plus récents développements qui ont permis d’atteindre des niveaux de puissance de plusieurs dizaines de watts à différentes longueurs comprises entre 2.8 et 3.8 microns. L’impact de ces sources sur différents domaines d’applications, dont le secteur biomédical, sera également abordé.

Durant cet exposé, nous désirons montrer pourquoi les réseaux de Bragg fibrés (FBG) sont maintenant devenus incontournables pour une majorité de lasers d’aujourd’hui, spécialement pour les lasers à fibre. La possibilité de facilement manipuler séparément le contenu spectral et le profil temporel offre des possibilités difficilement atteignables par les technologies traditionnelles, tout en étant robustes, compactes et économiquement abordables.

Nous présenterons nos plus récents résultats pour les lasers à fibre continus de plusieurs kilowatts, particulièrement les réflecteurs de cavité et les filtres Raman ainsi que les FBG dispersifs employés dans les oscillateurs femtosecondes et comme étireurs d’impulsion accordables pour l’amplification d’impulsions ultrabrèves à haute énergie. Finalement, nous exposerons des technologies actuellement en développement de réflecteurs Bragg fibrés pour les pompes multimodes et pour une nouvelle génération d’oscillateurs femtosecondes.

Au cours des dernières années, de nombreuses démonstrations ont témoigné du potentiel applicatif énorme des lasers à fibre optique. Ces dispositifs permettent en effet de générer des signaux haute-puissance de grande qualité tout en reposant sur des configurations simples, compacts et robustes [1]. La majorité des efforts entourant le développement de telles sources a toutefois été concentrée dans la région spectrale de l’infrarouge proche, et depuis plus récemment dans l’infrarouge moyen [2].

Mon projet de recherche vise à contribuer au développement de telles sources dans la région visible, puisque de nombreux secteurs d’activité, tels que le biomédical et l’industriel, pourraient en bénéficier [3].  

Dans le cadre de mon doctorat, je travaille sur le développement de différentes transitions laser visibles au sein de fibres optiques dopées d’ions trivalents de la famille des lanthanides, notamment le praséodyme et le dysprosium. Les travaux que j’ai réalisés depuis le début de mon doctorat ont mené à la première démonstration d’un système laser fibré monolithique opérant dans la région spectrale du rouge [4]. 

Cette présentation traitera de récentes avancées dans le laboratoire de la photonique non linéaire à l’Université McGill. L’emphase sera mise sur la réalisation de sources tout-fibre à partir des verres de chalcogénure et de verres fluorés. Ces verres sont choisis spécifiquement pour leurs propriétés telles que la non-linéarité optique, la plage spectrale de transparence, et la tolérance à l’intensité lumineuse.

Les sources fibrées qui seront présentées incluent le premier laser en anneau tout-fibre à base de verre chalcogénure, le premier oscillateur paramétrique en anneau à partir de composants en chalcogénure (coupleur et milieu de gain) et de fibre en verre fluoré, et des convertisseurs en longueur d’onde à base de solitons décalés en fréquence par effet Raman intrapulse. 

Dans la dernière décennie, les communautés scientifiques, académiques et industrielles ont démontré un intérêt grandissant pour les lasers à fibre émettant dans l’infrarouge moyen, entre 2,8 µm et 5 µm, puisqu’ils sont très prometteurs pour les applications biomédicales, l’usinage laser, la télédétection de gaz atmosphériques et les contre-mesures de défense et de sécurité. Plus spécifiquement, les performances et la qualité de faisceau des lasers à fibre émettant des impulsions courtes dans cette région spectrale, combinées à l’absorption très élevée de la lumière infrarouge par les tissus biologiques, par les polymères et par les polluants atmosphériques, permettraient d’améliorer les techniques laser dans tous ces domaines.

Ces dernières années, plusieurs types de lasers à fibre émettant des impulsions courtes dans l’infrarouge moyen ont été démontrés, mais la très grande majorité de ceux-ci n’ont pas la robustesse ni la fiabilité nécessaire pour être déployés dans des environnements non contrôlés comme le Grand Nord, les usines ou les hôpitaux.

Lors de cette présentation, je vais discuter des toutes dernières avancées sur les lasers à fibre émettant des impulsions courtes dans l’infrarouge moyen avec un accent sur le développement de composants et de lasers ayant la robustesse et la fiabilité nécessaires pour permettre la démocratisation de cette technologie.

L’oscillateur de Mamyshev est une nouvelle architecture d’oscillateur laser à fibre qui permet la génération d’impulsions femtosecondes très énergétiques et de courte durée. Cette technique est plus robuste aux effets non linéaires que toutes autres méthodes de synchronisation modale. En conséquence, cette architecture de cavité laser permet d’obtenir des puissances crêtes par impulsion de l’ordre du mégawatt sans l’ajout d’un amplificateur à l’oscillateur. Cette combinaison unique de simplicité et performance ouvre la porte à des lasers femtosecondes tout-fibre plus économiques, robustes et efficaces.

Cette présentation propose une introduction à l’état de l’art du sujet ainsi qu’à nos propres contributions. Les principaux défis à relever pour cette méthode ainsi que des perspectives prometteuses seront discutés. En particulier, il sera question de solutions basées sur des réseaux de Bragg et des fibres légèrement multimodes spécialisées pour la gestion de la dispersion dans la cavité laser.