Guide pour spécifier (sans surspécifier) les pertes en optique laser

L'intérêt de spécifier correctement les pertes dans les optiques laser est évident. Ce qui est moins évident, c'est le moment où des spécifications plus strictes peuvent devenir contre-productives. Une surspécification des pertes n'améliorera pas davantage les performances ou la fiabilité de votre système, mais pourrait vous coûter plus d'argent et/ou de temps.

Les pertes optiques dans les systèmes laser sont associées à la dispersion, à l'absorption, à la transmission et à la réflectivité des composants individuels et dépendent toutes de la longueur d'onde. Tous ces éléments peuvent contribuer à la perte totale du système et affecter la survie et la longévité des composants optiques utilisés, communément exprimées en termes de valeurs de seuil de dommage induit par laser (LIDT).

Peu de systèmes laser nécessitent des spécifications pour tous ces critères. Une meilleure compréhension de l'importance de chacun d'entre eux peut donc permettre une optimisation plus ciblée et plus rentable de votre système laser. Pour trouver le bon équilibre, il faut d'abord identifier les pertes optiques qui sont essentielles pour satisfaire les paramètres de performance clés de votre système et ne spécifier vos exigences qu'en fonction de ces pertes.

Un examen plus approfondi des différentes sources de pertes optiques dans les systèmes laser – dispersion, absorption, transmission et réflectivité – permettra de comprendre comment elles sont liées les unes aux autres et quand il est judicieux de les spécifier séparément (Équation 1).

(1)$$ \sum{\text{Intensité de sortie du système}} = \text{Réflexion} + \text{Transmission} + \text{Dispersion} + \text{Absorption} $$

Dispersion

Les pertes dues à la dispersion sont associées à la rugosité de la surface de l'optique, à la qualité et à la figure. La dispersion réduit l'efficacité globale des systèmes laser et peut entraîner des défaillances prématurées des composants du laser et/ou des risques pour la sécurité dans certains cas (par exemple, l'utilisation intracavité et l'alignement du système).

Notez que la dispersion a tendance à être plus importante aux longueurs d'onde plus courtes, de sorte que le contrôle de cette source de perte optique est particulièrement important dans les systèmes laser UV.

La spécification de la dispersion vers l'avant, vers l'arrière et totale dépend, en partie, de la fonction de l'optique. Les mesures de la dispersion sont effectuées à l'aide de diffusomètres, des appareils qui utilisent des sources laser et des sphères d'intégration. La dispersion dépendant de la longueur d'onde, les mesures ne sont applicables que si l'on utilise un laser fonctionnant à la même longueur d'onde que le laser d'essai et si l'on prend soigneusement en compte les qualités/exigences du faisceau pour les deux lasers et les conditions d'essai.

Absorption (optique)

Les pertes par absorption réduisent le rendement optimal du laser et peuvent nuire à sa fiabilité et à sa durée de vie. Lorsque le rayonnement laser incident entre en contact avec une optique laser, une partie du rayonnement est absorbée et transformée en chaleur. Si une quantité suffisante d'énergie thermique s'accumule dans l'optique, elle peut modifier sa forme ou son indice de réfraction (c'est ce que l'on appelle les effets de lentille thermique). Cela peut réduire la qualité du faisceau émergent ou avoir un impact négatif sur l'alignement de la cavité. S'ils ne sont pas correctement évalués, les effets thermiques de l'absorption peuvent accélérer la dégradation de l'optique et potentiellement conduire à une défaillance du composant et, par conséquent, du système.

Figure 1 : Image de la défaillance d'un composant induite par le laser, qui peut être déclenchée par l'accumulation thermique due à l'absorption.

Bien que cela souligne le lien entre l'absorption et le LIDT, la mesure et la spécification de ces deux quantités ont des finalités différentes et doivent être séparées. L'absorption est une source et une mesure de perte optique, tandis que le LIDT quantifie le niveau d'énergie photonique qu'une optique peut supporter avant de tomber en panne.

Plusieurs méthodes sont couramment employées pour évaluer les effets thermiques de l'absorption dans les composants optiques, notamment la calorimétrie laser, décrite dans la norme ISO 11551, et l'interférométrie « common path » photo-thermique (PCI) utilisant une technique pompe-sonde sensible à la phase. Dans la méthode PCI, le chauffage local périodique de l'optique de test par le faisceau de la pompe fait coïncider la partie perturbée du faisceau de la sonde, qui est déphasée par rapport au changement d'indice de réfraction, avec le faisceau de la pompe. Les parties perturbées et non perturbées du faisceau de la sonde interfèrent, ce qui confère à cette méthode une grande sensibilité de mesure et la possibilité d'examiner l'absorption en surface et en masse.

Transmission

La spécification des pertes liées à la transmission optique est importante pour qualifier les performances des composants qui doivent transmettre la lumière avec une efficacité et une fiabilité élevées. Les mesures de transmission sont généralement effectuées à l'aide de spectrophotomètres, qui utilisent des sources de lumière à large bande pour fonctionner sur une large gamme de longueurs d'onde (Figure 2). Pour améliorer la précision des mesures et le rapport signal/bruit, il est conseillé d'utiliser des sources laser qui correspondent mieux à l'application finale.

Figure 2 : Les spectrophotomètres sont souvent utilisés pour mesurer la transmission des composants optiques

Les propriétés de transmission d'une optique donnée à la longueur d'onde, à l'angle d'incidence et à la polarisation d'entrée ciblés sont affectées à la fois par la performance spectrale des couches minces déposées et par la transmittance interne du substrat. La performance d'un traitement est également influencée par la qualité de la surface polie sur laquelle il est déposé. Les propriétés de transmission interne du substrat doivent être soigneusement étudiées en fonction de l'application envisagée et sont généralement exprimées en pourcentage de transmission par unité de longueur.

Bien que les caractéristiques de transmission d'une optique puissent influencer son LIDT, il est important de distinguer ces spécifications. La détermination du LIDT est souvent plus décisive et constitue la seule spécification nécessaire.

Pour les optiques à transmission, il est généralement préférable de spécifier et de mesurer la transmission plutôt que la réflectivité des surfaces séparées. En ne spécifiant que la réflectivité de la surface, on néglige les autres sources de perte (voir Équation 1). Toutefois, dans certains cas, l'approximation consistant à spécifier uniquement la réflectivité de la surface est un compromis acceptable entre coût et performance, car elle est plus facile à spécifier et à vérifier.

Réflectivité

Les miroirs et les traitements à réflectivité élevée sont essentiels au fonctionnement de tout système laser, en particulier ceux conçus pour l'orientation du faisceau ou l'optimisation du débit. Ces systèmes exigent généralement une réflectivité élevée, supérieure à 99,9%.

Dans les systèmes laser où une réflectivité de 99,5% ou moins est acceptable, la pratique de mesure courante consiste à utiliser la spectrophotométrie pour quantifier la quantité de lumière transmise par la surface réfléchissante du miroir. Bien que cette mesure soit claire, elle ne tient pas entièrement compte des pertes supplémentaires dues à la dispersion et/ou à l'absorption par les surfaces optiques et le matériau en vrac. Par conséquent, il est recommandé de spécifier à la fois la transmission et la réflectivité pour certains types d'optiques.

Pour une meilleure précision des mesures et une meilleure représentation des performances réelles, les composants laser nécessitant une réflectivité supérieure à 99,5% sont évalués à l'aide de la spectroscopie à cavité optique (CRD). Ils déterminent la perte totale en mesurant le temps de décroissance du signal dans une cavité constituée de l'optique d'essai et d'un ou deux miroirs de référence (Figure 3). Comme pour les spécifications mentionnées précédemment, il est essentiel de prendre des mesures à l'aide d'une source de lumière monochromatique qui fonctionne à la même longueur d'onde que celle pour laquelle l'optique est conçue. La CRD tient compte des pertes dues à la transmission, à l'absorption et à la dispersion, et fournit également une représentation plus précise de la réflectivité de l'optique.

Figure 3 : Les appareils de mesure de la perte par cavité optique (CRD) déterminent la perte totale d'un composant optique en mesurant le taux de décroissance de l'intensité dans la cavité résonnante de l'appareil, ce qui permet d'obtenir des mesures plus précises que les techniques qui ne mesurent que la transmission.

Les spécifications relatives à la réflectivité et au LIDT remplissent des fonctions différentes et ne doivent pas être confondues. Alors que les miroirs et les traitements réfléchissants peuvent être soumis à des exigences LIDT pour déterminer la quantité d'énergie qu'ils peuvent supporter, leur spécification de réflectivité est une mesure de l'efficacité optique.

Conclusion

Les pertes optiques au sein d'une cavité ou d'un système laser sont inévitables, tout comme les effets négatifs associés sur les paramètres de performance (par exemple, la puissance/énergie de sortie et la qualité du faisceau). Dans la pratique, cependant, un système laser peut être construit de manière rentable en identifiant et en spécifiant uniquement les pertes optiques critiques pour les performances du système et l'application prévue.

Références

International Organization for Standardization. (2008). Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test method for absorptance of optical laser components (ISO 11551:2003).