Les Technologies Laser à l INO Antoine Proulx, Mathieu Drolet, Yves Taillon, Pierre Galarneau Institut National d Optique (INO) 50 e anniversaire du laser École de Technologie Supérieure Vendredi, le 14 Mai 2010
Technologies laser à l INO De 1988 à aujourd hui: Lasers à état solide et MRV Collimation de diodes laser Lasers à fibre 2
MRV et Lasers à état solide Historique MRV & Lasers à état solide 1988 1990 1995 2000 2005 2010 3
MRV et Lasers à état solide Miroir à réflectivité variable (MRV) Fil conducteur du développement Augmentation de l énergie émise Amélioration de la qualité de faisceau Position actuelle: ~25% du marché mondial 4
MRV et Lasers à état solide Lasers à état solide Fil conducteur du développement: Longueurs d onde et puissance nécessaires pour de nouvelles applications Exemples de lasers à état solide développés à l INO: Er:Verre (1.53 µm) Nd:Verre (1.05µm) Nd:YAG (1.06µm) Er/Yb:Verre (1.55µm) Cr:LiSAF & Cr:LiSGAF (800 à 900 nm) Cr:ZnSe (2.2 à 2.7 µm) 5
MRV et Lasers à état solide Laser Cr:ZnSe (2004) Paramètres du laser Longueur d onde Puissance moyenne Mesures 2,2 à 2,7 µm (Accordable) 660 mw 6
Collimation de diodes laser Historique MRV & Lasers à état solide Collimation de diodes laser 1988 1990 1995 2000 2005 2010 7
Collimation de diodes laser Fil conducteur du développement Collimer le plus d émetteurs possible en même temps; Diminution des coûts; Exemple de réalisation Collimation par une matrice de micro lentilles cylindriques GRIN brevetées; Lentilles Grin Lentilles cylindriques répliquables Organocéramique Performances de collimation: 40x10 à 0.9x1.5 8
Collimation de diodes laser Transferts technologiques OBZERV Système de vision nocturne OpusMed inc. Laser F1 Système d épilation au laser 9
Historique MRV & Lasers à état solide Collimation de diodes laser Lasers à fibre 1988 1990 1995 2000 2005 2010 10
Démarrage de la technologie (1995) Fabrication de nos propres composants de commutation (Q- Switch) mécanique pour la génération d impulsions nanosecondes Brevet US 5 444 723: Optical switch and Q-switched lasers Taux de répétition ~ 50 Hz!! 11
Impact des composants «télécoms» La disponibilité des composants fibrés de télécommunication et des réseaux de Bragg a mené au développement de premières sources pulsées à 1550 nm; Première configuration khz (1998) Brevet US 6 148 011: Wavelength sliced self-seeded pulsed laser; 12
PEFL - Pulsed Erbium Fiber Laser (1998) Paramètres du laser Longueur d onde Puissance moyenne Énergie par pulse Taux de répétition Durée d impulsion M x,y 2 Mesures 1532 nm 15 mw 1.5 µj 10 khz 10 ns < 1.1 3 PUMP LASER BRAGG Er DOPED DIODE GRATINGS FIBRE WDMs 2 1 MODULATOR Option: Wavelength Selection Er DOPED (Time Gating) FIBRE PULSE GENERATOR AND GATING ELECTRONICS LASER OUTPUT ISOLATOR Licence octroyée à un partenaire canadien 13
Extension de la plateforme à 1064 nm (2002) Apparition du marché de remplacement des lasers à état solide Tendance en micro-usinage Augmentation du taux de répétition (>100 khz) pour accélérer les procédés Diminution des dimensions de faisceau (conversion de fréquence) 14
Développement des lasers à 1064 nm Flexibilité de la source: Taux de répétition Durée et forme d impulsion Amplification de puissance: Augmenter l énergie par impulsion Repousser le seuil des effets non-linéaires Conserver une haute qualité de faisceau Capacité à convertir en fréquence 15
Développement de fibres spéciales pour amplificateurs de puissance (2004) Technologie Triple-gaine:1 ere gaine mince Caractéristiques de la fibre 350 300 [Yb] = 1.7 wt-% Dopage sélectif A eff = 300 µm 2 M 2 = 1.08 PER > 20 db D-shaped Efficacité de conversion = 81% Beam Radius (µm) 250 200 150 100 50 M 2 avg = 1.08 A eff = 300 µm 2 X axis Y axis 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Robustesse élevée aux courbures Moins de 3% de perte d efficacité lorsque enroulée sur un diamètre de 2,5cm Position (m) 16
HRFL - High Repetition rate Fiber Laser (2006) Paramètres du laser Longueur d onde Puissance moyenne Énergie par pulse Taux de répétition Durée d impulsion M x,y 2 PER Mesures 1064 nm 850 mw 8.5 µj 90 khz à 1 MHz 10 à 30 ns < 1.1 > 20 db 17
Modulation directe d une diode laser d injection (2007) Amélioration du contrôle de la forme de l impulsion Réduction du coût de la plateforme Laser MOPAW - Master Oscillator with Programmable Amplitude Waveform 18
Développement de fibre Photonoircissement (2007) Nécessité de solutionner le problème de photonoircissement dans les fibres dopées Yb pour améliorer le temps de vie des lasers; Outils de caractérisation et de modélisation Introduction de la chimie P/Al/Si 19
Technologie Triple-gaine: Fibre PM avec 1 ère gaine large (2008) Nouvelle géométrie basée sur le design des fibres microstructurées pour éviter le perçage de la 1 ère gaine US12/350,571 Thick 1st Clad Low index polymer Pure silica SAP Pump Core Core LMA Core n SAP Doped silica r 20
Technologie Multi-gaine: Fibre PM avec gaine en dépression (2009) INO Patent Pending 1.470 1.468 Refractive index 1.466 1.464 1.462 1.460 A eff = 350 m 2; 1.458-100 -50 0 50 100 Radius (µm) Améliore le différentiel de pertes par courbure entre LP 01 and LP 11 Approprié pour A eff > 300 m 2 21
Résultats obtenus avec une fibre ayant un profil d indice avec gaine en dépression 140 µj Green (14 W, 10 ns) New LMA fiber: mode field area 425 µm 2 115 µj Green (11.5 W, 17.5 ns) Efficacité de conversion de 60% 22
Laser Picoseconde Burst (2009) 1.0 0.8 Power (A.U) 0.6 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 Time (ns) Paramètres du laser Longueur d onde Puissance moyenne Puissance crête Durée des impulsions Période entre les impulsions Mesures 1064 nm 20 W 100 kw < 80 ps 550 ps 23
Laser femtoseconde (2009) 1.0 0.8 4s Beam Width (µm) 0.6 0.4 0.2 X axis Y axis 0.0 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 Distance (m) Paramètre du laser Longueur d onde Puissance moyenne Énergie par pulse Taux de répétition Mesures 1558 nm 1.1 W 50 nj 22 MHz (a.u.) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1.E+00 1.E-01 1.E-02-20 Delay (ps) 20 τ AC 0.42 ps (a) Energy Spectral Density (a.u.) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1.E+01 1.E-04 1.51 1.60 (b) Durée d impulsion M x,y 2 < 300 fs < 1.2 0.0-3 -2-1 0 1 2 3 Delay (ps) 0.0 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60 Wavelength (µm) 24
Conclusion Depuis plus de 20 ans, l INO travaille à améliorer les Technologies Laser: Qualité de faisceau; Puissance émise; Longueurs d onde d émission; Contrôle du profil des impulsions; Marché du laser à fibre: toujours en expansion Nouveaux développements en LàF: nouvelles longueurs d onde pour adresser de nouvelles applications; Bon potentiel pour le développement de sources à haute puissance et à hauts taux de répétition. 25
Remerciements Bruno Labranche Stéphane Petit François Brunet Pascal Deladurantaye Marc Levesque Louis Desbiens Vincent Roy Pierre Laperle André Croteau Huimin Zheng Kevin Snell Alain Chandonnet Jocelyn Lauzon Wu Qun André Parent Michel Morin Robert Larose Gilles Larose Yves Painchaud André Fougères 26