Le mot laser évoque généralement l’image d’un faisceau lumineux fortement concentré et continu. Les lasers qui produisent une telle lumière sont en fait très courants et utiles. Cependant, la science et l’industrie nécessitent souvent des impulsions de lumière laser très courtes et puissantes.
Ces impulsions peuvent être utilisées pour usiner des matériaux ou pour créer des fréquences harmoniques élevées allant jusqu’aux rayons X, ce qui peut contribuer à rendre visibles des processus extrêmement rapides de l’ordre de l’attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde).
Une équipe de chercheurs de l’ETH Zurich dirigée par Ursula Keller, professeur à l’Institut d’électronique quantique, a établi un nouveau record pour de telles impulsions laser : avec une puissance moyenne de 550 watts, elles dépassent le maximum précédent de plus de 50 pour cent, ce qui rend ce sont les impulsions les plus fortes jamais créées par un oscillateur laser.
En même temps, elles sont extrêmement courtes – elles durent moins d’une picoseconde, ou un millionième de millionième de seconde – et sortent du laser selon une séquence régulière à une cadence élevée de cinq millions d’impulsions par seconde. Les impulsions courtes atteignent des puissances maximales de 100 mégawatts (ce qui, en théorie, suffirait à alimenter 100 000 aspirateurs pendant une courte période).
Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Optique.
Au cours des 25 dernières années, le groupe de recherche de Keller a travaillé à l’amélioration continue des lasers dits à disques à impulsions courtes, dans lesquels le matériau du laser est constitué d’un disque mince, de seulement 100 micromètres d’épaisseur, d’un cristal contenant des atomes d’ytterbium.
À maintes reprises, Keller et ses collègues se sont heurtés à de nouveaux problèmes qui ont initialement empêché une nouvelle augmentation du pouvoir. Assez souvent, des incidents spectaculaires se produisaient au cours desquels différentes parties à l’intérieur du laser étaient détruites. La résolution de ces problèmes a conduit à de nouvelles connaissances qui ont rendu plus fiables les lasers à impulsions courtes, également populaires dans les applications industrielles.
« La combinaison d’une puissance encore plus élevée et d’une fréquence d’impulsion de 5,5 mégahertz, que nous avons désormais obtenue, repose sur deux innovations », explique Moritz Seidel, docteur en sciences et technologie. étudiant dans le laboratoire de Keller. D’une part, lui et ses collègues ont utilisé un agencement spécial de miroirs qui envoient plusieurs fois la lumière à l’intérieur du laser à travers le disque avant de quitter le laser à travers un miroir de découplage.
« Cette disposition nous permet d’amplifier considérablement la lumière sans que le laser ne devienne instable », explique Seidel.
La deuxième innovation concerne la pièce maîtresse du laser pulsé : un miroir spécial en matériau semi-conducteur, inventé par Keller il y a déjà trente ans et portant l’abréviation mémorable SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror). Contrairement aux miroirs normaux, la réflectivité d’un SESAM dépend de la force de la lumière qui le frappe.
Des légumineuses grâce à SESAM
À l’aide du SESAM, les chercheurs incitent leur laser à envoyer de courtes impulsions plutôt qu’un faisceau continu. Les impulsions ont une intensité plus élevée car l’énergie lumineuse est concentrée sur une période de temps plus courte. Pour qu’un laser envoie de la lumière laser, l’intensité lumineuse à l’intérieur doit dépasser une certaine valeur seuil.
C’est là qu’intervient le SESAM : il réfléchit la lumière qui a déjà traversé plusieurs fois le disque amplificateur, particulièrement efficacement si l’intensité lumineuse est forte. Le laser passe alors automatiquement en mode pulsé.
« Jusqu’à présent, des impulsions d’une puissance comparable à celles que nous avons obtenues ne pouvaient être obtenues qu’en envoyant des impulsions laser plus faibles via plusieurs amplificateurs séparés à l’extérieur du laser », explique Seidel.
L’inconvénient est que l’amplification entraîne également davantage de bruit, correspondant aux fluctuations de la puissance, ce qui pose des problèmes notamment dans les mesures de précision.
Pour créer cette puissance élevée directement à l’aide de l’oscillateur laser, les chercheurs ont dû résoudre un certain nombre de problèmes techniques délicats, par exemple comment attacher à la couche semi-conductrice du miroir SESAM une fine fenêtre en saphir, ce qui améliore considérablement les propriétés du miroir. .
« Quand cela a finalement fonctionné et que nous avons observé comment le laser créait des impulsions, c’était vraiment cool », explique Seidel.
Alternative aux amplificateurs
Ursula Keller est également enthousiasmée par ces résultats et déclare : « Nous espérons pouvoir raccourcir ces impulsions de manière très efficace au régime de quelques cycles, ce qui est très important pour créer des impulsions attosecondes. »
Selon Keller, les impulsions rapides et fortes rendues possibles par le nouveau laser pourraient également être utilisées dans de nouveaux peignes de fréquences dans le régime ultraviolet aux rayons X, ce qui pourrait conduire à des horloges encore plus précises.
« Un rêve serait de montrer un jour que les constantes naturelles ne sont finalement pas constantes », explique Keller. En outre, le rayonnement térahertz, qui a une longueur d’onde beaucoup plus longue que la lumière visible ou infrarouge, peut être créé avec le laser et ensuite utilisé, par exemple, pour tester des matériaux.
« Dans l’ensemble, on peut dire qu’avec nos lasers à impulsions, nous avons montré que les oscillateurs laser constituent une bonne alternative aux systèmes laser basés sur un amplificateur et qu’ils permettent de nouvelles et meilleures mesures », déclare Keller.
Plus d’informations :
Moritz Seidel et al, Oscillateur laser à disque mince ultrarapide de 550 W de puissance moyenne, Optique (2024). DOI : 10.1364/OPTICA.529185