Principe physique
Laser supercontinuum à fibre optique - Principe et applications

Depuis l’invention du laser en 1960, l’un des défis majeurs a été de développer des méthodes efficaces pour convertir la lumière laser en de nouvelles longueurs d’onde. La génération de supercontinuum (SC), observée pour la première fois en 1970 dans les matériaux massifs, puis en 1976 dans les fibres optiques [IN 122], s’est rapidement imposée comme une solution à la fois élégante et performante. En élargissant considérablement le spectre monochromatique des lasers tout en préservant une sortie spatialement cohérente et de haute puissance, cette nouvelle source de lumière blanche a révolutionné de nombreux domaines d’application. Les sources supercontinuum génèrent un spectre électromagnétique continu et ultra-large, s’étendant sur plusieurs octaves en fréquence, du visible à l’infrarouge, tout en restant guidées par fibre optique. Elles allient ainsi la brillance d’un laser à la vaste couverture spectrale d’une lampe, offrant un fort potentiel pour remplacer de nombreuses sources lumineuses traditionnelles en métrologie optique, spectroscopie et microscopie. Grâce à leur polyvalence, les lasers SC sont exploités dans divers domaines, notamment l’imagerie biomédicale, la tomographie par cohérence optique (OCT) [E 4 155], le traitement des matériaux, la détection optique, la spectroscopie d’absorption et la métrologie par peignes de fréquences optiques (OFC). Les atouts de la lumière supercontinuum résident non seulement dans sa brillance, supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du rayonnement du corps noir, mais aussi dans ses remarquables propriétés de cohérence. Ces caractéristiques permettent l’exploitation de schémas de détection interférométriques et hétérodynes relativement simples, garantissant des performances exceptionnelles dans de nombreuses applications.

Les sources SC commerciales les plus avancées reposent principalement sur des fibres optiques microstructurées en silice [RE 43]. Elles délivrent une puissance de plusieurs watts sur l’ensemble de la fenêtre de transmission des fibres de silice, soit de 400 à 2 400 nm. Aujourd’hui, une douzaine d’entreprises à travers le monde commercialisent des lasers SC, rencontrant un succès notable. Parmi ces sociétés, on peut citer LEUKOS en France et NKT Photonics au Danemark. Des sources dédiées au moyen infrarouge (MIR), basées sur des fibres en fluorure et offrant des spectres s’étendant jusqu’à 4 µm, voire 4,8 µm dans certains cas, sont également disponibles.

Cependant, de nombreuses applications émergentes nécessitent l’extension du spectre SC au-delà de l’état actuel de la technique, vers l’ultraviolet (UV), idéalement de 50 à 400 nm, et vers le moyen-infrarouge (MIR), de 2,5 à 20 µm. Il y a un besoin particulier de sources de lumière UV à large bande pour l’imagerie par fluorescence et pour des utilisations diagnostiques et thérapeutiques en médecine. Le MIR couvre la région des empreintes moléculaires et chimiques, ainsi que les fenêtres atmosphériques 3-5 µm et 8-12 µm. La couverture de cette gamme MIR est également nécessaire pour l’imagerie OCT, la détection à distance, les LIDARs, la surveillance de la pollution de l’air, et les chirurgies médicales non invasives.

Ces dix dernières années ont été marquées par des progrès significatifs dans l’amélioration continue des sources lasers SC en termes de couverture spectrale, de stabilité, de bruit, de densité de puissance et de robustesse. Des dévelopements importants ont été réalisés pour atteindre les gammes de longueurs d’onde UV et MIR ciblées. Les lasers SC ont considérablement évolué pour devenir une technologie véritablement révolutionnaire capable de relever divers défis sociétaux et industriels. L’une des raisons clés de ces avancées a été le développement de nouvelles classes de fibres optiques spéciales, et cet article a pour but de présenter une revue de ces travaux.

L’article est structuré comme suit. La section 1 présente un tour d’horizon des différentes technologies de fibres optiques et des bandes spectrales couvertes par les sources SC. La section 2 introduit la physique de la génération de SC et donne un aperçu des différentes approches utilisées pour la génération de SC par fibre. Dans la section 3, nous passons en revue les résultats depuis 2010 de la génération de SC dans le MIR à l’aide de fibres de verres fluorés et chalcogénures. Nous décrivons spécifiquement les travaux sur le développement de sources compactes et fiables de SC MIR basées sur des systèmes de fibres en cascade. Dans la section 4, nous présentons les différentes fibres optiques utilisées pour la génération de SC dans l’UV, notamment les fibres à cœur creux remplies de gaz et les fibres de silice de qualité UV. La section 5 met en avant les progrès depuis 2015 dans le développement de sources SC à faible bruit et haute cohérence basées sur des fibres à dispersion entièrement normale (ANDi). Enfin, la section 6 offre un aperçu rapide des principales applications des sources SC.

Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau de notations et de symboles utilisés.