De nouveaux progrès dans la technologie laser des infrarouges moyens

La zone des infrarouges moyens est particulièrement intéressante pour de nombreuses applications étant donné que les fréquences électromagnétiques concernées coïncident avec les fréquences du mouvement vibratoire interne de la plupart des molécules. Le développement des sources de lumière dans l'infrarouge moyen ouvre donc de nouvelles opportunités, en particulier dans la spectroscopie par rapport aux spectromètres de transformation de Fourier généralement utilisés. Les principaux avantages sont la cohérence, la faible durée des impulsions et la grande luminosité spectrale.

Les chercheurs du projet ASEL-MID-IR (Compact, high-energy, and wavelength-diverse coherent mid-infrared source) ont cherché à convertir les fréquences de lasers solides fonctionnant dans les zones presque infrarouges et des infrarouges moyens. Un oscillateur paramétrique optique (OPO) contenant des éléments non-linéaires a converti les ondes laser d'entrée (pompe) de lasers solides en ondes d'une longueur d'onde supérieure.

À la suite d'un examen approfondi de la littérature sur les architectures laser solides, les chercheurs ont utilisé un laser tandem à fibre de thulium et un laser YAG holmium à impulsions géantes fonctionnant à 2.1 μm. Ces sources présentent de meilleures capacités de gestion thermique et de graduation de puissance que les lasers solides à 1 µm conventionnels. Un OPO construit par un cristal ZGP avec des non linéarités de second ordre devrait convertir la longueur d'onde de cette pompe en ondes d'infrarouge moyen.

Le laser YAG holmium à impulsions géantes a produit plus de 25 W de puissance pulsée à 2.1 μm, avec un taux de répétition des impulsions à 10-200 kHz et une durée d'impulsion inférieure à 15 ns. L'OPO contenant le cristal ZGP a produit un signal mid-IR à large bande avec une puissance moyenne supérieure à 5 W et un spectre allant de 3.5 à 5 μm. L'efficacité de la conversion était d'environ 40 %, dépassant les estimations initiales.

L'utilisation de configurations OPO alternatives telles qu'une intracavité OPO a montré que le signal de sortie pouvait être reconverti dans le signal de la pompe, imitant efficacement un support non linéaire de troisième ordre. Pour exploiter la troisième génération harmonique, l'équipe a utilisé un laser Raman à cavité externe avec un cristal BaWO4. La longueur d'onde de sortie générée était la plus longue jamais signalée qui présentait une graduation de puissance de sortie de niveau watt. Le chevauchement de la plage spectrale source avec la fenêtre d'absorption de la vapeur d'eau ouvre des applications dans l'hygrométrie infrarouge et la détection de gaz.

Les chercheurs ont enfin remplacé le laser à fibre optique dopée avec du thulium par un laser à diode de thulium contenant un cristal YLF comme milieu à effet laser pour fournir un conditionnement compact pour le prototype.

Les applications foisonnent pour les lasers à infrarouges moyens. Les prototypes de source de lumière mid-IR portables et compactes d'ASEL-MID-IR avec des taux de répétition d'impulsion et puissance de sortie élevés peuvent bénéficier aux applications de sécurité, de diagnostic médical et de détection de gaz.