La région spectrale de l’infrarouge moyen (mid-IR) reste encore peu familière pour la plupart des utilisateurs de lasers, car seuls quelques lasers sont commercialement disponibles dans cette plage de longueurs d’onde. Récemment, de nouveaux lasers dans l’infrarouge moyen compacts et polyvalents ont été développés, ouvrant la voie à des applications révolutionnaires dans l’industrie, la science, les soins de santé et l’environnement.

Qu’est-ce que l’infrarouge moyen ?

Selon la norme ISO (ISO : 20473:2007)1, l’infrarouge moyen est une partie du spectre électromagnétique qui couvre des longueurs d’onde de 3 à 50 µm. Cette région spectrale est souvent divisée en deux sous-régions : la région infrarouge à onde moyenne (MWIR), s’étendant de 3 à 8 µm, et la région infrarouge à onde longue (LWIR), s’étendant de 8 à 15 µm.

Pourquoi les lasers dans l’infrarouge moyen?

Les lasers sont désormais largement utilisés pour le traitement des matériaux, les procédures chirurgicales , les télécommunications, la spectroscopie 2, les applications de défense et les sciences fondamentales. Les lasers dans l’infrarouge moyen suscitent un intérêt croissant dans la recherche et l’industrie, car ils offrent des avantages sans précédent dans tous ces domaines d’application. Voici pourquoi :

Les lasers dans l’infrarouge peuvent être sélectivement absorbés par des matériaux ou des molécules.

Le moyen infrarouge est l’endroit où se trouvent les résonances vibrationnelles fondamentales de la plupart des liquides, des gaz et des non-métaux tels que les plastiques, les verres ou les tissus biologiques. La Figure 1 montre que les bandes d’absorption prononcées de l’eau, du méthane, du CO2 et des polymères se situent principalement dans le moyen infrarouge. Lorsque la longueur d’onde d’émission d’un laser du moyen infrarouge chevauche ces résonances, la lumière est sélectivement absorbée par ces matériaux ou molécules. Une meilleure absorption signifie un meilleur contrôle, une meilleure précision, une meilleure efficacité et une vitesse accrue pour les applications chirurgicales et de traitement des matériaux, ou une meilleure sélectivité et un rapport signal/bruit amélioré pour la spectroscopie et la microscopie.

Les lasers avec des longueurs d’onde fixes ou réglables dans le moyen infrarouge trouvent donc des applications sérieuses en spectroscopie infrarouge, y compris la surveillance des gaz environnementaux et l’analyse de la respiration, ainsi qu’en microscopie, en chirurgie au laser peu invasive et en traitement laser non métallique (découpe, perçage, traitements de surface, etc.). Par rapport à l’absorption aux UV, l’ablation sélective dans le moyen infrarouge peut jouer un rôle majeur dans le traitement au laser de dispositifs multicouches dans les industries électronique, photonique ou médicale, où il est important de traiter une couche particulière sans affecter les autres couches adjacentes.

Figure 1 : Bandes d’absorption de molécules et de matériaux importants.

Les lasers du moyen infrarouge peuvent être transmis sur de grandes distances dans l’atmosphère.

Le moyen infrarouge contient également deux principales fenêtres de transmission atmosphérique (régions de 3 à 5 µm et de 8 à 12 µm), où il y a une très faible absorption par les principaux constituants de l’atmosphère, comme le montre la Figure 2. Les lasers dans ces fenêtres spectrales peuvent être propagés sur de longues distances, permettant plusieurs applications en défense (par exemple, les contre-mesures de missiles 7) et dans les communications en espace libre 8.

Figure 2 : La transmission atmosphérique est plus élevée dans le moyen infrarouge. Adapté de [9].

Les lasers dans le moyen infrarouge sont les outils scientifiques idéaux

Les lasers dans l’infrarouge moyen figurent également parmi les outils de laboratoire idéaux pour des applications scientifiques telles que l’optique non linéaire, la photonique au silicium, l’optique quantique, la physique des champs élevés, les peignes de fréquence et la génération de supercontinuum. Ces applications avancées conduiront certainement à de nouvelles découvertes passionnantes en matière de lasers qui seront traduites dans des applications concrètes.

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References:

[1] ISO 20473:2007, Optique et photonique – Bandes spectrales
[2] J. Haas et B. Mizaikoff, « Avancées en spectroscopie moyen infrarouge pour l’analyse chimique », Revue annuelle de chimie analytique, 2016, vol. 9, p. 45-68.
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[9] Fenêtres infrarouges
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[13] L.R. Robichaud et al., « Génération de supercontinuum haute puissance dans le moyen infrarouge pompé par une source à décalage de fréquence auto-solitonique », Optics Express, 2020, vol. 28, p. 107-115.