Sources laser à fibre et applications

Bien que mis en œuvre pour la première fois dans les années 1960, les lasers à fibre ne sont utilisés de façon courante dans l'industrie que depuis une dizaine d'années. Ce succès s'explique par leurs propriétés singulières : ils combinent une grande efficacité optique, une bonne capacité à dissiper la chaleur, un potentiel d'intégration élevé, et une excellente qualité de faisceau. Ces propriétés, associées à la possibilité de pompage par diodes laser de forte puissance, font des lasers à fibre des sources dont la brillance est particulièrement élevée. De plus, les nombreux développements technologiques liés à l'industrie des télécommunications ont conduit à une grande fiabilisation des procédés de fabrication et à la disponibilité d'une grande variété de composants en optique guidée. Cet article s'attache à présenter de manière générale les lasers à fibre, leurs propriétés, et leurs applications.

Une première partie part des propriétés de guidage des fibres optiques actives pour déterminer les paramètres optogéométriques pertinents à la mise en œuvre de sources laser à fibre. Les différents schémas de pompage optique sont discutés. La qualité de faisceau est définie et les principales architectures utilisées autour de la fibre optique active sont décrites. Enfin, un modèle basé sur les équations de populations couramment utilisé est présenté, permettant de déterminer quantitativement les performances des sources laser à fibre.

Dans la deuxième partie, nous présentons les mécanismes d'amplification optique dans les fibres optiques, les différentes technologies qui leur sont associées, ainsi que les domaines du spectre optique qui peuvent être atteints en les utilisant. Trois terres rares dont les transitions radiatives sont couramment employées pour l'amplification optique, l'erbium, l'ytterbium, et le thulium, font l'objet d'une attention particulière. Des solutions plus polyvalentes en termes de domaine spectral, comme la diffusion Raman stimulée, l'amplification paramétrique optique, ou la génération de supercontinuum, sont brièvement présentées.

Les lasers à fibre peuvent être configurés pour émettre dans des régimes temporels très différents : le rayonnement émis peut être continu, et même monomode longitudinal, mais aussi être composé d'impulsions de durées variables, jusqu'au régime femtoseconde. Nous présentons dans une troisième partie les architectures laser permettant d'atteindre ces régimes, et les paramètres qui influencent les propriétés des impulsions émises.

Enfin, nous décrirons les principales applications des sources laser dans différents domaines de l'industrie, de la médecine et biologie, et de la physique. Nous verrons que les principales applications des lasers à fibre de forte puissance dans l'industrie sont le découpage, la soudure, le marquage laser. Les divers régimes temporels accessibles par les sources à fibre permettent l'obtention de qualités de découpe ou de marquage très différentes. D'autres applications plus spécifiques seront également examinées, telles que les capteurs, les lidars, la métrologie de fréquence par peigne femtoseconde, ou des applications en imagerie des tissus biologiques.