Les caractéristiques des lasers 2 µm

Les lasers d'une longueur d'onde de 2 µm ont beaucoup progressé ces dernières années et offrent une efficacité, une stabilité et une facilité d'utilisation élevées. Les lasers 2 µm sont idéaux pour les applications de haute précision, notamment la chirurgie médicale et l’usinage des plastiques, en raison de leurs caractéristiques d'absorption uniques, qui leur permettent d’effectuer des incisions petites et précises avec un dégagement de chaleur minimal dans les tissus biologiques et plastiques. Les caractéristiques d’absorption donnent aux lasers 2 μm un avantage sur les lasers d’1 µm dans certaines applications.

Conception du laser

Les premiers lasers 2 µm étaient des appareils très grands, coûteux et refroidis par azote liquide. Aujourd'hui, il existe des lasers à diode 2 µm de 30 mm de long et des lasers à fibre encore plus petits. En raison de leur facilité d'utilisation inhérente et de la large gamme d'énergie qu'ils permettent de délivrer, par impulsions et par ondes continues (CW), les lasers 2 µm amélioreront l'efficacité et permettront de nouvelles procédures dans diverses applications. Les progrès technologiques permettent de réduire les coûts et de diminuer la taille des appareils, tout en améliorant leurs performances. Dans certains cas, les chercheurs développent des composants à partir de fibres optiques, ce qui peut réduire considérablement le coût.

Fonctionnement, éléments et puissance du laser

Pour les lasers 2 µm, deux éléments de terres rares se sont avérés être des dopants de gain laser qui fournissent une puissance élevée pour le fonctionnement des lasers en ondes continues et pulsées : Le thulium (Tm³⁺) et l’holmium (Ho³⁺). Les ions de ces éléments permettent l'émission laser dans de nombreux cristaux et fibres de verre hôtes différents (voir tableau 1). Pour le fonctionnement en ondes continues, les lasers au thulium se sont avérés être une meilleure option, tandis que l'holmium s'est meilleur pour les lasers pulsés et les lasers à commutation q, en raison du gain plus élevé des cristaux dopés à l'holmium. Les lasers au thulium sont également avantageux car les ions peuvent être excités avec des diodes laser disponibles sur le marché autour de 800 nm, alors que l'holmium ne peut être excité que par une source de pompage de 1,9 µm.

Les lasers 2 µm avec des puissances moyennes autour de 100 W sont idéaux pour un certain nombre de processus industriels. Le tableau 1 montre les puissances atteintes par les lasers dopés au thulium et le tableau 2 les puissances atteintes par les lasers dopés à l’holmium.

Tableau 1 : Puissances de sortie, longueurs d'onde de pompage et longueurs d'onde d'émission publiées pour les lasers à ondes continues dopés au thulium (Scholle et al., 2010).

Tableau 2 : Puissances de sortie, longueurs d'onde de pompage et longueurs d'onde d'émission publiées pour les lasers à ondes continues dopés à l'holmium (Scholle et al., 2010). 

Sécurité oculaire

Les longueurs d'onde de 2 µm sont incluses dans la gamme de longueurs d'onde jugée sûre pour les yeux, qui commence autour de 1,4 µm. Cette gamme est jugée sans danger pour l'œil car le rayonnement laser autour de 1,4 µm à 2,4 µm est fortement absorbé dans le corps vitré de l'œil et n'atteint pas la rétine, qui est responsable de l'envoi des impulsions nerveuses au cerveau. En outre, le seuil d'intensité des dommages oculaires irréversibles est beaucoup plus élevé autour de 2 µm que pour des longueurs d'onde plus courtes, comme 1 µm. Bien que la conception conviviale et la protection de la rétine soient bénéfiques, les faisceaux de 2 µm peuvent également endommager d'autres parties de l'œil que la rétine, ce qui exige que toutes les précautions de sécurité laser soient encore prises.

Matériaux optiques compatibles

Les matériaux optiques ayant une bonne transmission dans la gamme spectrale de 2 µm ont chacun leurs propres avantages uniques qui se prêtent à diverses applications. Le séléniure de zinc (ZnSe) est sans doute le matériau le plus apprécié pour les lentilles, les fenêtres, les coupleurs de sortie et les expanseurs de faisceau fonctionnant à 2 µm, en raison de sa faible absorptivité aux longueurs d'onde infrarouges et de sa transmission dans le visible. La transmission dans le spectre visible permet d'utiliser un faisceau de guidage visible en même temps qu'un faisceau de 2 µm. Le fluorure de calcium (CaF₂) est une autre option de substrat pour les lasers de 2 µm, car sa transmission est supérieure à 90% entre 0,25 et 7 µm, il est disponible en grandes tailles et il est moins cher que des substrats similaires tels que le fluorure de baryum (BaF₂). Les autres substrats qui transmettent à 2 µm comprennent la silice fondue de qualité IR, le germanium, le fluorure de magnésium (MgF₂), le N-BK7, le bromure de potassium (KBr), le saphir, le silicium, le chlorure de sodium (NaCl) et le sulfure de zinc de qualité claire (également connu sous le nom de Cleartran™).

Tableau 3 : Comparaison des propriétés des substrats IR courants.

Pour en savoir plus sur les applications prometteuses des optiques laser 2 µm, téléchargez les livres blancs ci-dessous. 

2 µm Medical Laser Applications

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2 µm Materials Processing Applications

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Références:
Scholle, Karsten, Samir Lamrini, Philipp Koopmann, and Peter Fuhrberg. "2 µm Laser Sources and Their Possible Applications." InTechOpen. InTech, 01 Feb. 2010. Web.