Les systèmes laser fonctionnant dans le proche infrarouge (de 0,75 μm à 1 μm) et dans l’infrarouge à ondes courtes (entre 0,9 μm et 2,5 μm) sont largement utilisés dans de nombreuses applications. Par conséquent, les experts en laser sont familiers avec les composants optiques courants tels que les lentilles, les fenêtres, les diviseurs de faisceau, les miroirs, les polariseurs et les filtres. Des matériaux tels que le silice fondue, le BK7 et le BBO sont souvent utilisés pour fabriquer des composants optiques destinés à être utilisés dans les gammes infrarouge proche et infrarouge à ondes courtes. Ces matériaux présentent d’excellentes propriétés de transmission jusqu’à 2000 nm, ce qui les rend particulièrement adaptés à ces applications.

D’un autre côté, la région de l’infrarouge moyen au-dessus de 2000 nm, là où opèrent les lasers de Femtum (entre 2500 et 3500 nm), peut être un territoire inconnu pour certains utilisateurs de lasers, qui pourraient penser que choisir les éléments optiques appropriés pour leur application scientifique ou industrielle sera un défi. Cependant, ce n’est pas nécessairement le cas.

Avec la demande croissante pour les applications et les lasers dans l’infrarouge moyen, le marché photonique a réagi en proposant une offre croissante de composants optiques adaptés à cette région. Aujourd’hui, une variété de composants optiques sont disponibles pour répondre aux besoins des applications laser dans l’infrarouge moyen.

Si vous êtes un utilisateur de laser ayant l’intention d’opérer dans le spectre du moyen infrarouge et que vous vous inquiétez de l’accessibilité des composants appropriés, cet article de blog est conçu pour vous ! Ici, notre objectif est de vous aider à découvrir les composants optiques optimaux pour votre application. Tout au long de cet article de blog, nous fournirons des détails sur les éléments optiques prédominants couramment utilisés dans le spectre du moyen infrarouge. Néanmoins, il est crucial de reconnaître l’existence de nombreux autres matériaux conçus pour des applications spécialisées.

Optiques de focalisation en infrarouge moyen.

Le choix des optiques de focalisation et de collimation appropriées a un effet crucial sur les performances globales des systèmes laser. Les lentilles et les miroirs sont les principaux composants optiques de focalisation et de collimation dans l’architecture d’un système laser. Ils peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux et avoir un indice de réfraction élevé ou faible ; chacun présente ses propres avantages et inconvénients. Les optiques de focalisation et de collimation à indice élevé peuvent avoir une ouverture numérique (NA) plus élevée que les composants optiques à faible indice, permettant une mise au point plus petite, c’est-à-dire une puissance focale plus forte. Cependant, les composants à haute NA sont plus susceptibles aux aberrations et créent des réflexions plus importantes à l’intérieur de l’architecture laser, ce qui peut impacter les performances du laser.

Pour réduire la réflectivité des composants optiques à indice élevé, un revêtement antireflet est appliqué sur chaque surface, ce qui rend ces composants plus coûteux. En revanche, les composants optiques à faible ouverture numérique sont moins sujets aux aberrations et à la réflectivité, et sont généralement plus économiques que les composants à indice élevé.

Sélénure de zinc (ZnSe)

Les composants basés sur un substrat de ZnSe sont largement utilisés dans les lasers CO2 haute puissance (10,6 µm) et dans les lasers d’alignement HeNe bon marché (632 nm) dans les systèmes laser CO2, en raison de leur faible absorption aux deux longueurs d’onde du laser, de leur coût relativement bas et de leur facilité d’utilisation. Ainsi, leur large plage de transmission et leur prix les rendent idéaux pour être utilisés à la fois dans les gammes infrarouge proche et moyen. Ils sont couramment utilisés comme éléments de focalisation et sont particulièrement populaires dans les scanners galvanométriques. Le ZnSe est un matériau ayant un indice de réfraction élevé (2,4362 près de 3 µm). Des lentilles avec une ouverture numérique élevée peuvent être fabriquées avec ce matériau, mais elles nécessitent un revêtement antireflet pour la plupart des applications afin d’atteindre une haute transmission.

Fluorure de calcium (CaF2)

Les matériaux CaF2 sont principalement utilisés dans les lasers à excimères grâce à leur transparence allant de l’ultraviolet jusqu’à 8 μm. Le CaF2 est un matériau résistant à l’eau et présente des performances supérieures à température élevée. Son faible indice de réfraction (1,418) près de 3 μm réduit la réflexion de Fresnel (environ 3 % à 0 degré d’angle incident) et permet son utilisation sans revêtements antireflet dans la plupart des cas. Ces propriétés, combinées à un faible coefficient d’absorption et à une haute résistance aux dommages, rendent les composants en CaF2 idéaux pour une utilisation dans les lasers infrarouges moyens à haute puissance et haute énergie. De plus, des fenêtres en CaF2 ont été utilisées comme bouchon d’extrémité (dispersant la chaleur et l’intensité) sur une pointe de fibre de lasers à fibre infrarouge moyen à haute puissance fonctionnant près de 3 μm, démontrant ainsi leur excellente transmission optique et leur conductivité thermique [1].

Fluorure de magnésium (MgF2)

Le fluorure de magnésium (MgF2) est un matériau chimiquement stable qui résiste à l’eau ainsi qu’aux chocs mécaniques et thermiques. Il possède une large plage de transparence, allant de l’ultraviolet jusqu’à 8 μm. Les éléments optiques fabriqués en MgF2 ont un faible indice de réfraction (1,36 à 3 μm), ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les lasers à haute énergie en ultraviolet et en ultraviolet sous vide, ainsi que dans les lasers dans l’infrarouge moyen.

Fluorure de baryum (BaF2)

Les composants en fluorure de baryum sont populaires pour les applications UV, avec une excellente transmission allant de l’UV jusqu’à la région infrarouge moyen jusqu’à 10 μm. Avec un indice de réfraction de 1,46 près de 3000 nm, le BaF2 offre d’excellentes propriétés optiques et mécaniques, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications infrarouges moyennes à haute température et haute pression. Divers types de composants optiques en BaF2, y compris des lentilles, des miroirs, des polariseurs et des fenêtres, sont disponibles sur le marché photonique avec des options de revêtement antireflet.

Saphir

Le saphir est un matériau très populaire en raison de sa dureté, de sa résistance à la déformation permanente, à la chaleur et à la pression. En conséquence, le saphir est largement utilisé dans de nombreux domaines tels que la défense, la science, la médecine et l’électronique. Il présente également une conductivité thermique élevée de 46 W/mK, ce qui en fait un excellent matériau pour la dissipation de chaleur par rapport à d’autres matériaux tels que le quartz. Dans l’industrie des lasers, ils sont les éléments optiques idéaux pour les lasers haute puissance fonctionnant dans des conditions environnementales difficiles, tels que les lasers d’ytterbium multi-kW pour le traitement des matériaux. Avec une transmission moyenne de plus de 95 % entre 2 et 4 µm, les substrats de saphir revêtus d’antireflet sont largement utilisés dans les lasers médicaux Er:YAG fonctionnant autour de 3 µm, ainsi que dans les lasers holmium fonctionnant près de 2 µm, et sont facilement disponibles sur le marché de la photonique. De plus, les fibres monocristallines de saphir peuvent transmettre jusqu’à 3,1 µm et sont utilisées dans les systèmes Er:YAG à haute énergie en tant que câbles de transmission par fibre.

Germanium

Le germanium présente une large fenêtre de transmission, similaire au ZnSe, allant de 2 μm jusqu’à 14 μm. Pour une transmission efficace avec des composants en germanium, il est nécessaire d’ajouter un revêtement antireflet sur leurs surfaces en raison de son indice de réfraction élevé (4,04 près de 3 μm). Alors que la transmission du germanium non revêtu est inférieure à 50 %, un substrat en germanium revêtu peut atteindre un taux de transmission moyen de 90 % jusqu’à 14 μm. Les composants en germanium présentent une faible dispersion, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une faible aberration chromatique. Cependant, l’indice de réfraction du germanium dépend de la température. Utiliser ce matériau dans des systèmes laser à large plage de température peut ne pas être idéal. Ce matériau est un choix courant pour les applications laser CO2 de faible puissance et les lasers de 3 μm de faible puissance. De plus, bien que son indice de non-linéarité élevé limite son utilisation dans les lasers à impulsions courtes à haute intensité, l’opacité élevée du germanium en dessous de 2 μm en fait un filtre adapté pour les lasers infrarouges moyens.

Silicium

Le silicium est un autre bon substrat pour être utilisé comme élément de focalisation dans les lasers infrarouges moyens fonctionnant entre 2 μm et 5 μm. Cependant, il n’est pas adapté à une utilisation avec les lasers CO2 en raison de son importante bande d’absorption près de 10 μm. Le silicium a un indice de réfraction élevé (>3,7 près de 3 μm) et donc un indice non linéaire élevé qui peut limiter son utilisation dans les systèmes à forte puissance crête, mais il offre plusieurs autres avantages. Il a une faible dispersion dans le moyen infrarouge et est très stable sur une large plage de températures, ce qui en fait un bon choix pour les systèmes laser fonctionnant dans des environnements extrêmes. Comme pour le germanium et le ZnSe, le silicium est également utilisé dans les optiques de focalisation à ouverture numérique élevée et est généralement un choix plus économique.

La figure ci-dessous présente les courbes de transmission des éléments optiques couramment utilisés dans les optiques de focalisation (données tirées de [2]).

Filtres, fenêtres et diviseurs de faisceau infrarouge moyen.

Les filtres et les fenêtres sont utilisés pour modifier la puissance du laser avec ou sans altération de son contenu spectral en absorbant ou en réfléchissant certaines longueurs d’onde. C’est important pour isoler la lumière indésirable ou contrôler la quantité de lumière entrant ou sortant du système.

Dans une architecture laser infrarouge moyen, les fenêtres sont généralement fabriquées à partir de matériaux similaires à ceux mentionnés précédemment. En plus des matériaux mentionnés, le quartz est l’un des composants couramment utilisés comme fenêtre car il présente une transmission plane supérieure à 90 % de 300 nm à 3000 nm. Son indice de réfraction est d’environ 1,45 (réflexion de Fresnel d’environ 4 % à 0 degré d’angle incident) et peut être utilisé sans revêtement antireflet. Ce matériau optique largement utilisé est résistant aux chocs et aux hautes températures, et il n’est pas cher. Il peut servir de fenêtre de sortie ou de protection dans les lasers commerciaux pour prévenir la poussière ou d’autres changements environnementaux.

En revanche, le CaF2 et le ZnSe sont les matériaux les plus adaptés pour les composants diviseurs de faisceau en raison de leur plage de transparence étendue par rapport au quartz. On les trouve couramment sur le marché de la photonique avec des options revêtues d’antireflet, biseautées ou non biseautées.

Les revêtements de miroirs métalliques pour l’infrarouge moyen

Outre les composants optiques mentionnés précédemment, les revêtements de miroirs métalliques sont couramment utilisés dans les systèmes laser infrarouges et infrarouges moyens en tant qu’éléments de miroir. Des revêtements tels que l’aluminium, l’argent et l’or peuvent atteindre une réflexion moyenne de plus de 95 % de 2000 nm à 20000 nm. En raison d’une transmission plus élevée que l’aluminium et d’un coût inférieur à celui de l’or, les scanners galvanométriques utilisent principalement des miroirs en argent revêtus d’AR (antireflet). En raison de leur haute réflectivité et de leur seuil de dommage relativement élevé, ces revêtements métalliques conviennent à la plupart des lasers infrarouges moyens. Des miroirs protégés ou renforcés sont recommandés pour les applications infrarouges moyennes afin d’assurer une durabilité à long terme. Pour comparer la réflectivité des revêtements minces d’aluminium, d’argent et d’or, veuillez vous référer à la figure ci-dessous.

Autres éléments optiques utilisés dans les systèmes laser infrarouge moyen et leurs applications.

Dans les optiques de polarisation infrarouge moyen, les plaques à retard sont principalement basées sur un substrat de MgF2 car c’est un matériau biréfringent et on peut le trouver avec des revêtements antireflet à différentes longueurs d’onde opérationnelles. Le MgF2 est également utilisé comme substrat pour les polariseurs cristallins, tout comme l’YVO4. En plus de son utilisation comme polariseur cristallin dans l’infrarouge moyen, l’YVO4 est également un substrat couramment utilisé pour les diviseurs de faisceau dans les optiques de polarisation infrarouge moyen. Il présente une large plage de transmission allant de l’ultraviolet à 3,5 μm et présente une forte biréfringence, ce qui le rend utile pour modifier les états de polarisation.

Bien que les isolateurs infrarouges moyens ne soient pas aussi matures que leurs homologues dans l’infrarouge proche, on peut toujours trouver facilement des isolateurs en espace libre sur le marché jusqu’à 4,5 μm. Cependant, le principal problème avec ces composants est leur capacité limitée à manipuler des puissances maximales par rapport aux isolateurs dans l’infrarouge proche. De plus, les isolateurs infrarouges moyens sont souvent dépendants de la polarisation, ce qui peut réduire le rapport de transmission du faisceau.

Les lasers de Femtum et leur compatibilité avec les éléments optiques infrarouges moyens

« Femtum propose des lasers à fibre infrarouge moyen fonctionnant dans la plage de longueurs d’onde de 2700 nm à 3500 nm qui sont compatibles avec une large gamme d’éléments optiques infrarouges moyens facilement disponibles sur le marché de la photonique. Chez Femtum, nous comprenons que chaque application est unique et nécessite des solutions adaptées. C’est pourquoi nous proposons également une gamme d’éléments optiques supplémentaires, notamment des collimateurs haute puissance infrarouges moyens, des expandeurs de faisceau et des obturateurs rapides, pour compléter les systèmes laser de Femtum et simplifier leur intégration sur les marchés industriels et scientifiques. Si vous avez des questions concernant nos lasers ou votre application spécifique, n’hésitez pas à nous contacter via notre page de contact dédiée. »

References

[1] Goya, K., Uehara, H., Konishi, D., Sahara, R., Murakami, M., & Tokita, S., Stable 35-W Er: ZBLAN fiber laser with CaF2 end caps. Applied Physics Express, (2019).

[2] Thorlabs Inc, accessed 23 February 2023, http://www.thorlabs.com