Avec des lasers à fibre monomode atteignant 10 kW et des lasers à fibre multimode atteignant 50 kW, les lasers à fibre sortent du domaine industriel et entrent dans les applications militaires, devenant un candidat pour les armes laser à haute énergie déployées sur le champ de bataille.
Aux débuts de la technologie laser, la meilleure façon d'obtenir une puissance laser élevée était d'extraire l'énergie de grands volumes de matériau laser. Certaines applications utilisent encore cette approche, comme le National Ignition Facility (NIF) du Lake Trent National Laboratory, qui utilise de grands amplificateurs en verre pour amplifier les impulsions jusqu'à 1,8 M. Mais pour de nombreuses applications industrielles, la fibre dopée à l'ytterbium est devenue le choix idéal pour les supports laser de haute puissance.
Les lasers à fibre ont beaucoup évolué en termes de puissance depuis qu'Elilas Snitzer a inventé le premier laser à fibre en 1963. En juin 2009, IPG Photonics a présenté un laser à fibre monomode à onde continue d'une puissance de sortie de 10 kW au salon Laser Show de Munich et à la conférence Solid-State Laser and Semiconductor Laser organisée par la Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, vice-président des marchés industriels chez IPG Photonics, a déclaré qu'IPG a produit des lasers à fibre multimode avec des puissances de sortie allant jusqu'à 50 kW, et que Raytheon a testé leurs applications potentielles comme armes laser. Cependant, l'activité principale d'IPG reste les applications de traitement des matériaux industriels, de la découpe de plaquettes de silicium pour les cellules solaires au soudage robotisé de plaques métalliques.
Pourquoi choisir la fibre ?
Comme d'autres lasers à pompage par diode, les lasers à fibre convertissent essentiellement les lasers à pompage de faible qualité en sorties laser de meilleure qualité, qui peuvent être utilisées dans de nombreux domaines tels que le traitement médical, le traitement des matériaux et les armes laser. En termes d'obtention d'une puissance de sortie élevée, les lasers à fibre présentent deux avantages importants : l'un est le processus de la lumière de pompage en lumière de sortie de haute qualité, qui a une efficacité de conversion élevée ; l'autre est une bonne capacité de dissipation de la chaleur.
La raison pour laquelle les lasers à fibre peuvent atteindre un rendement élevé est principalement due au pompage par diode, à la sélection minutieuse des milieux dopants de gain et à la conception optimisée de la fibre. La fibre optique utilisée dans les lasers à fibre haute puissance contient un noyau interne dopé avec un milieu de gain et un noyau externe qui confine la lumière de pompage. La lumière de pompage peut pénétrer dans le noyau externe par la face d'extrémité de la fibre, ou être couplée dans le noyau externe le long du côté de la fibre dans une direction presque parallèle à l'axe de la fibre (voir la figure 1). Cette dernière méthode est appelée « pompage latéral », mais cela ne signifie pas que la lumière de pompage pénètre latéralement dans la cavité laser comme un laser en vrac. Une fois que la lumière de pompage est introduite dans le noyau externe, elle traversera à plusieurs reprises le noyau interne le long de la fibre pour obtenir un pompage efficace. Par la suite, le rayonnement stimulé est conduit le long du noyau interne et accumule en continu de l'énergie pour produire une lumière laser de haute intensité.
La plupart des lasers à fibre optique contiennent des dopants, car le miroir sélectif peut obtenir une faible perte quantique (la différence d'énergie entre le photon de pompage et le photon de sortie). Lorsque l'on utilise une lumière de pompage à 975 nm pour produire une lumière de sortie à 1035 nm, la valeur de perte quantique n'est que de 6 %. En comparaison, la perte quantique d'un laser dopé au néodyme pompé à 808 nm et produisant une sortie à 1064 nm peut atteindre 20 %. Des pertes quantiques plus faibles permettent à l'efficacité de pompage optique-optique des lasers dopés à la fibre optique de dépasser 60 %, ce qui, combiné à l'efficacité de conversion électro-optique de 50 % de la diode de pompage, signifie que l'efficacité de conversion totale du laser à fibre optique peut atteindre 30 %.
La structure de la fibre présente une grande surface par unité de volume, ce qui aide le laser à fibre à dissiper la chaleur, mais même avec un refroidissement par eau, la dissipation de chaleur limite ses performances. Il y a cinq ans, les chercheurs espéraient produire des puissances plus élevées en augmentant le niveau de dopage et la taille du noyau interne, mais Johan Nilsson de l'Université de Southampton a déclaré qu'à des puissances moyennes élevées, la chaleur résiduelle étant difficile à éliminer de la fibre, « la limitation de l'effet thermique est de retour ».
