Les lasers à impulsions entièrement construits sur des fibres optiques sont de plus en plus utilisés par l'industrie. Des opticiens du Centre laser de Varsovie de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences et de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont généré des impulsions laser ultracourtes dans une fibre optique avec une méthode précédemment considérée comme physiquement impossible. Leur solution n'est pas seulement utile, mais aussi étonnamment simple.

Un laser à fibre innovant a été développé au Centre laser de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) et à la Faculté de physique de l'Université de Varsovie. En utilisant une solution simple, les opticiens de Varsovie ont « forcé » l'un des types de lasers à fibre optique à générer des ultracourts, impulsions à haute énergie. Le nouveau laser est dépourvu de toute pièce externe mécaniquement sensible, ce qui semble être particulièrement intéressant pour les applications futures. L'invention accélère considérablement le traitement des matériaux dans les machines laser industrielles.

« Les lasers à fibre peuvent être construits de manière à ce que tous les processus importants pour la génération et la mise en forme des impulsions ultracourtes se déroulent dans la fibre elle-même. De tels dispositifs, sans aucun composant externe mécaniquement sensible, fonctionner de manière très stable, et sont idéales pour travailler dans des conditions difficiles, " explique le Dr Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

L'action du laser dans la fibre conduit à la génération d'un faisceau lumineux continu. La libération d'énergie dans les impulsions les plus courtes possibles est, cependant, beaucoup plus favorable, car il signifie une grande augmentation de puissance. Les impulsions sont générées dans les lasers à fibre via un système d'absorbeur saturable. Lorsque l'intensité lumineuse est faible, l'absorbeur bloque la lumière; quand il est haut, l'absorbeur le laisse passer. Étant donné que les impulsions femtosecondes ont une intensité plus élevée qu'un faisceau continu, les paramètres de l'absorbeur peuvent être ajustés pour qu'il n'admette que des impulsions.

"Jusqu'à maintenant, feuilles de graphène, entre autres, ont été utilisés comme absorbants saturables, sous la forme d'une couche mince déposée sur la pointe de la fibre. Mais les diamètres des fibres optiques sont de l'ordre du micron. Même un peu d'énergie à l'étroit dans une si petite section transversale a une densité importante par unité de surface, affectant la durée de vie des matériaux. Par conséquent, si une tentative a été faite pour augmenter la puissance des impulsions femtosecondes, le graphène sur la pointe du connecteur a été détruit. Autres absorbeurs, comme les nanotubes de carbone, peut également subir une dégradation, " explique Jan Szczepanek, un doctorant de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie.

Afin de générer des impulsions femtosecondes à plus haute énergie dans la fibre optique, les physiciens de Varsovie ont décidé d'améliorer les absorbeurs saturables d'un type différent, via l'utilisation intelligente de phénomènes optiques tels que les effets non linéaires qui provoquent une modification de l'indice de réfraction du verre.

Les champs électriques et magnétiques de la lumière oscillent généralement de manière aléatoire, directions mutuellement perpendiculaires. Quand les champs oscillent tout le temps dans le même plan, l'onde est dite polarisée linéairement. En optique classique, on suppose que lorsqu'une telle onde traverse un milieu, il éprouve un indice de réfraction constant, quelle que soit l'intensité lumineuse. En optique non linéaire, c'est différent :à une intensité lumineuse suffisamment élevée, l'indice de réfraction commence à augmenter légèrement.

Un absorbeur saturable artificiel non linéaire fonctionne comme suit. A l'entrée, la lumière polarisée linéairement est divisée en un faisceau de faible intensité et un faisceau de forte intensité. Le milieu de l'absorbeur peut être choisi pour que les deux faisceaux lumineux subissent un indice de réfraction légèrement différent afin qu'ils se déplacent à des vitesses (de phase) légèrement différentes. En raison de la différence de vitesse, le plan de polarisation commence à tourner. A la sortie de l'absorbeur, il existe un filtre de polarisation qui ne laisse passer que des ondes oscillant perpendiculairement au plan de polarisation de la lumière entrante. Lorsque le laser fonctionne en mode continu, la lumière dans le faisceau est d'intensité relativement faible, il n'y a pas de différence de chemin optique, la polarisation ne change pas, et le filtre de sortie bloque la lumière. A une intensité suffisamment élevée, typique des impulsions femtosecondes, la rotation de polarisation fait passer l'impulsion à travers le polariseur.

Pour que l'absorbant saturable avec rotation de polarisation fonctionne, la fibre doit avoir des indices de réfraction différents dans des directions différentes (elle doit donc être biréfringente), et les deux indices devraient également être stables. Le problème est que dans les fibres optiques ordinaires, la biréfringence se produit accidentellement, par exemple. en raison du stress causé par le toucher d'un doigt. Les lasers construits de cette manière sont extrêmement sensibles aux facteurs externes. À son tour, la biréfringence des fibres préservant la polarisation est si grande que la lumière se propage dans une seule direction, et la construction d'absorbants artificiels saturables devient physiquement impossible.

« Des fibres optiques biréfringentes conservant l'état de polarisation de la lumière entrante sont déjà en production. Nous sommes les premiers à démontrer comment elles peuvent être utilisées pour construire un absorbant saturable :nous coupons la fibre optique en segments de longueur appropriée puis les reconnectons, faire pivoter chaque segment successif de 90 degrés par rapport à son prédécesseur, " dit le doctorant Szczepanek.

"La rotation signifie que si dans un segment une impulsion avec, dirons-nous, la polarisation verticale se déplace lentement, ensuite, il ira plus vite et rattrapera la deuxième impulsion, polarisé perpendiculairement. Une procédure simple nous a donc permis d'éliminer le principal obstacle à l'augmentation de l'énergie, C'est, la grande différence de vitesses entre des impulsions de polarités différentes, typique de toutes les fibres préservant la polarisation, " explique le Dr Stepanenko.

Plus il y a de segments tournés, meilleure est la qualité des impulsions générées dans la fibre. Dans le laser construit au laboratoire de Varsovie, l'absorbant saturable était constitué d'une fibre d'une longueur d'environ 3 m, divisé en trois segments, et un polariseur filtrant. Le nombre potentiel de segments tournés peut être augmenté jusqu'à une douzaine environ.

Le nouveau laser produit des impulsions femtosecondes de haute qualité, et leur énergie peut être jusqu'à 1000 fois supérieure à celle typique des lasers avec absorbeurs de matériaux. Par rapport aux appareils avec absorbeurs artificiels, le laser fabriqué par les scientifiques de Varsovie a une construction beaucoup plus simple et donc sa fiabilité est nettement plus grande.