Développement de lasers à fibre basés sur la conversion Raman émettant entre 2 et 4 µm. Ça ne vous dit rien? C’est le nom de la thèse que vient de terminer Vincent Fortin, doctorant en physique, et qui pourrait se voir fort importante dans le domaine des lasers.

Il faut tout d’abord savoir ce qu’est un laser. Un laser, pour faire une réponse courte, est la réunion de trois éléments: une « pompe », qui sera souvent un autre laser, un milieu de gain, qui est un peu le corps du laser, et deux réflecteurs, souvent deux miroirs plus ou moins réfléchissants, situés de chaque côté du milieu de gain.

Dans le cas du laser à fibre, le milieu de gain est simplement une fibre optique. De plus, dans le laser de M. Fortin, il n’y a pas de miroirs à proprement parler, mais plutôt des réseaux de Bragg, soit l’équivalent d’un miroir, mais inscrit directement dans la fibre optique.

Une histoire de longueur d’onde

En utilisant la fibre optique, un laser peut normalement émettre à une longueur d’onde allant jusqu’à 2,2 µm. « Les fibres standards qu’on utilise ne transmettent pas plus loin que ça. C’est opaque au-delà de ça. Il y a eu beaucoup de travaux en bas de cette longueur d’onde-là. », indique M. Fortin. Cependant, dans le cas de plusieurs usages des lasers, cette longueur d’onde n’est pas assez haute. On voudra par exemple atteindre l’infrarouge moyen, commençant à 3 µm.

Avant les travaux de M. Fortin, il existait un moyen de dépasser la barrière des 2,2 µm, soit l’utilisation de terres rares (une catégorie d’éléments chimiques), qui seront introduit dans la fibre optique pour augmenter la longueur d’onde émise par le laser. Par contre, l’usage de terres rares (aussi appelés « dopants ») limite l’émission du laser à certaines plages précises de longueur d’onde. Par exemple, en usant de thulium, il sera possible d’émettre un faisceau atteignant une longueur d’onde autour de 2,3 µm, mais pas à 2,4 ou 2,2 µm. C’est là que la conversion Raman vient jouer son rôle.

La conversion Raman

Sans entrer dans des détails extrêmement pointus, la conversion Raman est assez simple. Lorsqu’une molécule reçoit un photon (Il s’agit de la particule qui constitue les ondes électromagnétiques, les ondes qui sont produites par un laser, par exemple), celle-ci devient excitée à cause de l’énergie reçue. Ainsi, celle-ci vibrera, mais ne pouvant conserver toute cette énergie, émettra un photon, question de perdre une partie de la vibration accumulée. Or, ce photon émis par la molécule possédera un longueur d’onde plus grande que celle du photon reçu.

Comment appliquer cela à un laser à fibre? En fait, il suffit de modifier la composition de la fibre optique elle-même. Ainsi, au lieu d’user de silice, la fibre optique sera fabriquée avec du fluorozirconate (ou verre fluoré) ou avec du chalcogénure (un mélange d’arsenic et de sélénium). De cette manière, ce sera la structure elle-même de la fibre qui produira le gain Raman.

L’avantage d’exploiter ce phénomène plutôt que celui des terres rares est qu’avec la conversion Raman, l’étendue des plages de longueur d’onde est beaucoup plus grande. Ainsi, en variant le matériau utilisé et la nature de la pompe, il sera possible d’atteindre quasiment l’entièreté des longueurs d’ondes situées entre 2 µm et 4 µm.

Aller au-delà de la théorie

Si le fait d’atteindre des longueurs d’ondes situées dans l’infrarouge moyen peut sembler abstrait, il en découle néanmoins plusieurs applications possibles. M. Fortin explique comment son laser pourrait être utilisé en spectroscopie : « On peut faire de la détection de différentes molécules dans cette gamme de longueurs d’onde-là. Les molécules ont une signature spectrale, donc si tu envoie un faisceau sur une certaine molécule, tu vas détecter une certaine absorption. Donc, si tu veux détecter la molécule, il faut qu’elle absorbe sur la gamme de longueur d’onde de ton laser. La plupart des molécules ont une signature spectrale dans l’infrarouge moyen. On peut, par exemple, penser à des applications de détection de polluants, de produits chimiques en industrie. » Dans le domaine médical, il est aussi possible d’utiliser ce principe pour détecter, par exemple, la présence d’eau dans le corps.

En dehors de la spectroscopie, un laser atteignant l’infrarouge moyen peut aussi avoir ses applications dans le domaine militaire. « C’est utile si tu veux avoir par exemple un système de contre-mesure pour contrer le système auto-guidant des missiles. Souvent, les systèmes auto-guidant vont suivre la signature thermique des avions. Si on veut brouiller ce signal-là, il faut pouvoir produire un signal laser avec la même longueur d’onde que la signature thermique. », pointe M. Fortin.

Un laser unique

Il faut savoir que le laser de Vincent Fortin n’est pas le premier à pouvoir aller jouer dans l’infrarouge moyen. Cependant, il est le premier à pouvoir le faire à l’aide de la technologie des fibres optiques. Les avantages des lasers à fibres? Bonne qualité de signal, compacité, légèreté, coûts relativement faibles, haute efficacité et robustesse. « Il n’y a pas beaucoup de problème d’alignement, le signal est guidé dans la fibre. Que tu plies la fibre ou que tu échappes la boîte, il n’y a pas de problème. », explique M. Fortin.

Si la thèse qui nous intéresse se concentre à atteindre des longueurs d’ondes allant jusqu’à 4 µm, il serait cependant possible, avec plus de recherches, d’atteindre des longueurs d’ondes dépassant cette limite. Comme le dit M. Fortin : « Il y a plusieurs améliorations à faire, mais oui, c’est possible d’aller plus loin. On a fait les premières démonstrations de lasers Raman dans ces fibres-là, mais il y a plein de possibilités. »

μm: Il s’agit du symbole pour le micromètre. Concrètement, il s’agit d’un millionième de mètre, ou 10-6 m.

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Le laser à tous les jours

Le lecteur DVD :

Dans un lecteur DVD, l’utilisation du laser permet à la lentille qui lira les informations de faire le focus sur une couche particulièrement fine stockée sur le disque. C’est la finesse du rayon laser qui permet de cibler les très minces couches d’informations. Chaque révolution du disque permet à la lentille de lire toute l’information d’une couche.

Le Radar de vitesse :

Le type de radar utilisé par les policiers pour contrôler la vitesse des véhicules fait également usage d’un laser. Le rayon sort du radar pour aller percuter le véhicule puis rebondit pour y revenir. Le rayon qui revient et accompagné de lumière qui cause une oscillation. Plus l’oscillation est grande dans le rayon de retour, plus la vitesse du véhicule est grande.