Puissance de pompe (en W)
III. Conclusions sur la source
Nous avons réalisé et caractérisé deux types de sources pour répondre aux conditions imposées par notre application. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant :
Cahier des charges Microlaser déclenché Laser à verrouillage de modes Avantage Durée des
impulsions <300 ps 400 ps 16 ps Verrouillage de modes Cadence Autour de 1
MHz 200 kHz à 1 MHz 1 ou 2 MHz Égalité
Puissance crête Le plus possible 150 W 24 ou 68 kW Verrouillage de modes
Compacité idem excellente moyenne Déclenché
Simplicité/coût idem excellente moyenne Déclenché
Tableau II.2 : comparatif des deux lasers étudiés.
L’observation de ce tableau nous indique que les deux solutions présentent des avantages : au niveau des performances pures, la source à verrouillage de modes est clairement supérieure. Par contre elle souffre de sa relative complexité et de son encombrement (environ dix fois la taille du microlaser). Ce dernier point doit cependant être nuancé : la puissance crête obtenue avec le laser à verrouillage de modes est de 24 kW (soit la configuration suivante : Pmoyenne = 470 mW, C = 1,2 MHz, ∆t = 16 ps). On se souvient que la puissance crête – qui est le paramètre important en vue de la conversion de fréquence - en sortie du microlaser (paragraphe I) était de 150 W. On a donc gagné un facteur 160 qui va peut être nous permettre de court- circuiter l’étage amplificateur : on pourra ainsi compenser la perte de compacité induite par la solution « laser à verrouillage de modes » par rapport à la solution « microlaser déclenché ».
Au final, les deux solutions présentent des avantages certains et nous avons donc décidé de les pousser toutes deux jusqu’à l’ultraviolet. Nous allons donc maintenant nous intéresser à l’amplificateur, indispensable pour augmenter la puissance du microlaser.
Le « DualChip », résultat de la collaboration ELSA-Nanolase
Introduction
Comme nous l’avons vu, il est courant de découpler les caractéristiques temporelles et énergétiques d’un système laser en adjoignant un amplificateur de puissance à un oscillateur. On réalise alors une structure appelée MOPA (« Master Oscillator Power Amplifier ») : l’oscillateur fournit les caractéristiques souhaitées en termes de cadence, de durée d’impulsion et de qualité de faisceau tandis que le rôle de l’amplificateur est d’augmenter la puissance sans modifier – ou le moins possible – ces valeurs.
Je vais décrire dans cette partie l’amplificateur que nous avons développé. Son rôle est principalement de porter le microlaser Mégahertz à des puissances suffisantes pour réaliser d’efficaces conversions de fréquence. Cependant nous avons commencé pour des raisons bassement matérielles par imaginer, mettre au point et tester notre amplificateur avec une source différente : un microlaser à plus basse cadence fourni par la société Nanolase55, avec laquelle ELSA a déjà collaboré dans le passé de façon très fructueuse. Les résultats obtenus ont été si satisfaisants qu’un nouveau partenariat a été créé afin d’intégrer ce nouvel amplificateur dans des produits commerciaux. Nous avons donc poussé plus avant et dans une perspective différente l’étude de l’amplificateur avec cette source : le plan utilisé pour cette partie est naturellement le reflet de cette double approche. Nous commencerons par un rapide état de l’art des amplificateurs solides, puis nous développerons le principe de l’amplification et détaillerons les différentes architectures testées. Nous présenterons ensuite les performances obtenues en fonction de la source utilisée : d’une part un microlaser « basse cadence » Nanolase, avec pour objectif le transfert de technologie, et d’autre part le microlaser à 1 MHz décrit dans la partie précédente.
Mais commençons par faire quelques commentaires sur la nature de notre collaboration avec Nanolase. Il y’a quelques années, la thèse au laboratoire de Frédéric Druon [Druon 00] a permis de réaliser un système laser produisant des impulsions courtes (sub-nanosecondes) à une cadence de quelques dizaines de kilohertz à 355 nm. Ces travaux ont attiré l’attention de la société Nanolase, alors déjà positionnée sur le marché des microlasers, et ont donné lieu à un transfert de technologie complet56 (voir photo
55 Cette jeune pousse française a été rachetée depuis par le géant nord américain JDS Uniphase. 56 Le système laser résultant est désormais commercialisé sous le nom « DualChip » par JDS Uniphase.
ci-contre). De nombreuses applications dans le domaine du traitement des matériaux utilisent des lasers ultraviolets car quasiment tous les matériaux absorbent dans cette gamme de longueur d'onde. C'est le cas pour le marquage de produits ou de câbles.
Un autre avantage de l’ultraviolet est sa résolution: le faisceau au point de focalisation peut avoir un diamètre extrêmement faible (jusqu'à 400 nm environ pour un faisceau à 355 nm). Une autre application concerne les actions photochimiques : photoablation pour faire des trous très précis dans des polymères ou photopolymérisation pour réaliser des maquettes d'objets en trois dimensions (prototypage rapide). Dans tous les cas, il faut disposer d'impulsions courtes, à haute cadence (rapidité), et de forte puissance moyenne dans l'UV (plusieurs centaines de milliwatts) : le besoin d’une source de type DualChip mais plus puissante (environ 600 mW d’UV sont visés) a été identifié par Nanolase. Pour conserver l’homogénéité de la gamme de produits déjà existants, le microlaser lui-même ne peut être changé : il faut donc travailler sur l’amplificateur afin d’atteindre les objectifs spécifiés, à savoir plus de 600 mW de rayonnement UV à 355 nm.
Nous partîmes 270 milliards de photons à bord d’une impulsion du port du microlaser, mais par un prompt renfort nous nous vîmes 21 billions en arrivant au cristal non-linéaire…