Lasers : Comprendre les bases

Le dispositif Q-switch réel est un modulateur acousto-optique ou un modulateur électro-optique (EOM). Les deux utilisent des cristaux où un champ électrique appliqué produit une certaine perturbation des propriétés optiques du cristal. Dans le cas des modulateurs acousto-optiques, le champ électrique appliqué est une tension radiofréquence qui produit une onde sonore à haute fréquence dans le cristal. Cette onde sonore diffracte les photons du laser et empêche l'amplification du laser. Les EOM utilisent à la place une haute tension appliquée qui modifie l'indice de réfraction du cristal et modifie la polarisation de la lumière entrante; une combinaison appropriée d'optiques sensibles à la polarisation peut être placée dans la cavité pour empêcher la lumière de polarisation altérée de circuler. D'autres types de lasers, tels que les lasers excimer, ne nécessitent pas de Q-switch pour produire des impulsions nanosecondes mais reposent plutôt sur une impulsion de pompe transitoire : les impulsions laser excimer sont produites en excitant le mélange gaz rare/halogène avec une décharge électrique puissante et courte. Les lasers Ti: saphir peuvent également produire des impulsions nanosecondes s'ils sont pompés avec une impulsion nanoseconde de lumière verte produite par un laser YAG Q-switch à fréquence doublée. Cette méthode est appelée commutation de gain car le gain de cavité plutôt que la perte de cavité est directement modifié. Outre un grand nombre d'applications industrielles, les lasers à commutation Q ont des applications importantes dans la recherche scientifique. L'un est le pompage d'amplificateurs ultrarapides Ti:saphir (décrits dans la section suivante) en utilisant la sortie doublée en fréquence (verte) d'un Nd:YAG ou Nd:YLF à commutation Q à 1-10 kHz. Un autre utilise le laser YAG ou YLF pour produire des énergies par impulsion dans la gamme des joules à 1-100 Hz. Ces lasers sont souvent utilisés avec des générateurs optiques non linéaires qui peuvent produire des longueurs d'onde accordables dans les régions UV, visible et IR, permettant des études résolues en temps et en longueur d'onde. De nos jours, la plupart des lasers YAG ou YLF fonctionnant à> 100 Hz sont pompés par diode, tandis que les systèmes 10 Hz à haute énergie nécessitent un pompage avec une lampe flash car les diodes ne conviennent pas pour produire des impulsions de sortie à haute énergie. Pour certaines applications scientifiques, il peut être souhaitable d'avoir un laser à commutation Q à largeur de raie étroite. Dans certains cas, cela peut être accompli en utilisant une combinaison de réseaux optiques et d'étalons ; dans d'autres cas, le laser peut être «ensemencé» avec un laser à faible largeur de raie CW ou Q-switched qui est plus facile à contrôler que l'étage de puissance supérieure. Cette approche, appelée "ensemencement par injection", utilise un MOPA (oscillateur maître, amplificateur de puissance), divisant conceptuellement la sélection de largeur de raie et la génération de haute puissance en deux étapes conçues de manière optimale pour les deux objectifs.Lasers ultrarapides Les lasers ultrarapides sont généralement définis comme des lasers qui produisent des impulsions dans la plage de 5 fs à 100 ps (1 femtoseconde = 10−15 secondes). Si un laser est capable d'osciller dans de nombreux modes longitudinaux, de telles impulsions courtes peuvent être produites avec la technique dite de verrouillage de mode. Avec cette technique, les modes sont verrouillés en phase (régime de verrouillage de mode) et leur interférence cohérente provoque l'effondrement du champ optique intracavité en une seule impulsion effectuant des allers-retours dans la cavité laser. Chaque fois que l'impulsion atteint le miroir de sortie, une partie de celle-ci est couplée et disponible.

La physique montre que plus il y a de modes qui interfèrent, plus la durée d'impulsion est courte (Figure 7). Étant donné que des largeurs de bande laser plus grandes prennent en charge un plus grand nombre de modes d'oscillation, la durée d'impulsion est inversement proportionnelle à la largeur de bande du matériau de gain laser. En l'absence de dispersion, ces impulsions sont limitées en largeur de bande temporelle, c'est-à-dire qu'elles ont la durée la plus courte possible pour une largeur de bande donnée.

Les impulsions ultrarapides sont très utiles en recherche ; grâce à la courte durée d'impulsion et à la puissance de crête élevée, l'avènement des lasers femtosecondes dans les années 1990 a permis des recherches révolutionnaires menant à des prix Nobel de femtochimie (spectroscopie pompe-sonde) et de génération de peignes optiques. Les lasers femtosecondes ont également permis des techniques d'excitation multiphotonique (MPE) qui fournissent une imagerie tridimensionnelle de tissus vivants. Le MPE est maintenant largement utilisé dans plusieurs domaines de la recherche biologique, notamment les neurosciences.

De nombreuses applications importantes nécessitent que les impulsions ultrarapides soient amplifiées à l'aide de l'une des nombreuses méthodes telles que l'amplification régénérative ou une approche d'amplificateur de puissance d'oscillateur maître (MOPA). L'amplification des impulsions nécessite généralement une réduction du taux de répétition, de sorte qu'un sélecteur d'impulsions sélectionne les impulsions de l'oscillateur à amplifier dans un ou plusieurs étages d'amplification. Dans le cas des lasers femtosecondes, la puissance de crête élevée des impulsions amplifiées peut endommager l'optique du laser. Pour cette raison, l'amplification est généralement précédée d'un étirement de l'impulsion (chirping) à 50 à 200 ps. L'impulsion amplifiée est ensuite recompressée dans le domaine fs. Ceci est communément appelé amplification d'impulsion chirpée, ou CPA.

Dans la recherche scientifique, les impulsions ultrarapides amplifiées sont utilisées pour un large éventail d'applications. Celles-ci incluent la photochimie, la spectroscopie pompe-sonde, la génération de térahertz (THz) et la création d'électrons accélérés et d'autres petites particules chargées. Les impulsions peuvent également entraîner une génération non linéaire de lumière UV extrême avec des largeurs d'impulsion de dizaines d'attosecondes.

Dans les applications industrielles, les impulsions ultrarapides amplifiées sont de plus en plus utilisées dans les applications de traitement des matériaux qui nécessitent une ablation ou une modification des matériaux sans aucun effet thermique résiduel et/ou à une échelle spatiale submicronique. Les exemples incluent la formation de motifs en couches minces dans la production d'écrans plats. Les lasers ultrarapides sont également de plus en plus utilisés pour couper le verre trempé des écrans tactiles, en utilisant un procédé appelé coupe par filamentation qui ne peut pas être réalisé avec d'autres lasers. Cette méthode produit une qualité de bord inégalée et peut créer des formes courbes et des découpes.

Matériaux laser ultrarapides

Jusqu'à récemment, les lasers scientifiques ultrarapides reposaient principalement sur le titane:saphir (Ti:saphir) en raison de sa large bande passante et de sa large plage de réglage ; les lasers Ti:saphir commerciaux clés en main peuvent délivrer des impulsions aussi courtes que 6 fs. Les lasers Ti: saphir sont généralement pompés à l'aide d'un laser de pompe CW à longueur d'onde verte. Les taux de répétition typiques des oscillateurs Ti: saphir sont de 50 à 100 MHz et les puissances de crête peuvent atteindre plusieurs centaines de kilowatts.

Les systèmes CPA les plus courants basés sur Ti: saphir fonctionnent de 1 à 10 kHz avec les étages d'amplification alimentés par des lasers verts nanosecondes. Les systèmes Ti:sapphire CPA sont uniques dans leur capacité à produire des énergies d'impulsion de plusieurs millijoules avec des largeurs d'impulsion aussi courtes que 20 fs. Les systèmes CPA personnalisés basés sur Ti: saphir peuvent produire des puissances de crête même pétawatt.

Les lasers ultrarapides industriels nécessitent généralement des taux de répétition élevés et une puissance élevée afin de maintenir un débit économiquement viable dans l'application. Jusqu'à récemment, la plupart d'entre eux étaient des systèmes MOPA basés sur des matériaux en vrac dopés au Nd (par exemple, YAG ou verre) ou des fibres, ou une combinaison des deux. Ces lasers et amplificateurs ont fait leurs preuves pour fournir la combinaison requise de puissance et de fiabilité industrielle. Cependant, plus la bande passante de gain de Nd est petite, plus ils sont limités au régime ps. Leur puissance de crête élevée et leurs taux de répétition élevés trouvent une applicabilité dans les applications de micro-usinage de précision, en particulier pour les films minces et/ou pour les matériaux résistants comme le verre renforcé chimiquement, en utilisant la méthode de filamentation qui vient d'être mentionnée.

Figure 7.Lorsqu'un très grand nombre de modes laser qui ont tous un "zéro" dans la même position interfèrent, la superposition résultante est une impulsion extrêmement étroite.

Au cours des 10 dernières années, les lasers et amplificateurs femtosecondes utilisant l'ytterbium (Yb) sont devenus disponibles pour répondre aux besoins changeants du marché dans les secteurs scientifique et industriel. Un exemple est la série Monaco d'amplificateurs monobloc de Coherent.

Les matériaux dopés Yb combinent dans une certaine mesure les avantages des lasers scientifiques Ti:saphir et des lasers industriels à base de Nd. Pour la recherche scientifique, la bande passante de gain de Yb signifie que les impulsions de l'oscillateur peuvent être aussi courtes que 50 fs, ce qui est plus que suffisant pour de nombreuses applications, en particulier en microscopie MPE. Contrairement au Ti:saphir, le Yb peut être directement pompé par diode et utilisé dans un format de fibre, permettant des performances plus évolutives que les matériaux à gain de volume qui sont souvent limités par des problèmes de refroidissement et de lentille thermique. Cela signifie que les amplificateurs de type MOPA à fibre Yb peuvent fournir des taux de répétition flexibles pouvant atteindre des dizaines de MHz. Lorsqu'elle est utilisée pour pomper des dispositifs paramétriques optiques, la sortie résultante est entièrement réglable des longueurs d'onde UV à IR moyen, offrant des avantages pour des applications telles que la spectroscopie de matériaux avancés ou l'imagerie biologique fonctionnelle. Il convient de noter que pour les applications scientifiques nécessitant des largeurs d'impulsion extrêmement courtes (>6 fs) et/ou des énergies d'impulsion élevées, le Ti:saphir reste actuellement le matériau de gain préféré, et les deux supports coexisteront dans un avenir prévisible.

Pour les applications industrielles, le principal attrait des amplificateurs à fibre Yb est la combinaison d'une puissance de crête élevée et d'une puissance moyenne élevée dans le régime femtoseconde, contrairement aux systèmes Nd avec des largeurs d'impulsion picoseconde. Les impulsions laser femtosecondes présentent deux avantages par rapport aux impulsions picosecondes pour le traitement des matériaux. Premièrement, l'interaction matérielle implique de nombreux photons simultanés et devient raisonnablement insensible à la longueur d'onde, contrairement à l'absorption linéaire nanoseconde. Deuxièmement, les impulsions courtes et l'interaction non linéaire signifient que les impulsions fs peuvent offrir une qualité et une précision de contour encore meilleures que les impulsions ps. En conséquence, les amplificateurs à fibre Yb trouvent rapidement des applications dans le micro-usinage de substrats à couches mixtes (par exemple, polyimide sur verre) que l'on trouve dans l'électronique et les écrans.

Doublement de fréquence et génération d'harmoniques Même avec le large choix de lasers disponibles dans le commerce, il n'est pas toujours possible d'en trouver un qui corresponde exactement à la longueur d'onde requise par une application spécifique. Les lasers Ti:saphir sont largement accordables, mais dans la plupart des cas, ils sont trop complexes pour les applications industrielles et incapables d'atteindre la très importante région UV du spectre. Les OPSL sont simples et peuvent être conçus à de nombreuses longueurs d'onde dans la région de 920 à 1160 nm, mais ne sont pas idéaux pour un fonctionnement pulsé. Pour atteindre la longueur d'onde souhaitée dans à peu près n'importe quel régime de fonctionnement - CW, pulsé ou ultrarapide - les processus de conversion de fréquence harmonique et de génération paramétrique offrent une flexibilité de longueur d'onde lorsqu'ils sont utilisés conjointement avec les lasers décrits jusqu'à présent. Tous ces processus sont liés et sont appelés phénomènes non linéaires car ils dépendent de manière non linéaire de la puissance de crête du laser. C'est-à-dire qu'ils sont proportionnels à la puissance carrée, troisième ou supérieure de la puissance de sortie du laser. En termes simples, lorsqu'un faisceau laser intense et/ou étroitement focalisé traverse un cristal approprié, son champ électrique oscillant interagit avec les électrons du cristal de plusieurs manières. L'un de ces mécanismes déforme le nuage d'électrons dans le cristal, polarisant ainsi les atomes à une fréquence qui est la même que celle du faisceau laser, mais aussi à une fréquence qui est son double (polarisation non linéaire). Cette fréquence correspond à une longueur d'onde qui est la moitié de celle du laser entrant. La polarisation non linéaire est beaucoup plus petite que le terme linéaire, mais elle dépend du carré de la puissance laser, donc augmente plus fortement en présence d'une impulsion laser intense. Il génère un champ optique au double de la fréquence du faisceau laser d'origine, avec pour résultat qu'une partie de la puissance laser entrante sera convertie à la moitié de la longueur d'onde d'origine (génération de deuxième harmonique (SHG) ou doublement de fréquence) (Figure 9). Étant donné que l'énergie doit être conservée, tout gain dans le faisceau SHG est échangé contre une diminution de la puissance du faisceau d'origine. Dans certains cas, il est possible d'obtenir une conversion presque totale du faisceau d'origine ("fondamental") en sa deuxième harmonique. Les cristaux courants pour SHG sont BBO, LBO et KDP. L'exemple le plus courant de SHG est la conversion d'une sortie IR laser à base de Nd à 1064 nm en une sortie verte à 532 nm (vert), constituant la longueur d'onde visible la plus populaire, utilisée de manière omniprésente pour pomper les lasers Ti: saphir.

Les OPO nano-, pico- et femtosecondes sont des dispositifs complexes qui sont mis en œuvre conjointement avec des lasers de pompe pulsés et ultrarapides. Les OPO CW sont tout aussi complexes, sinon plus. Les OPA sont plus faciles à concevoir et à construire, mais nécessitent une pompe plus énergique pour produire la lumière blanche et une amplification en un seul passage dans le cristal. Pour cette raison, ils sont pompés par des amplificateurs pico- ou femtoseconde CPA produisant au moins plusieurs microjoules. L'ajout à un OPA/OPO d'un ou plusieurs étages de génération et de mélange d'harmoniques permet d'obtenir une gamme de longueurs d'onde pouvant aller de 200 nm à 20 µm.Types de laser courants Pendant de nombreuses années, le laser CW le plus courant était le laser hélium néon, ou HeNe. Ces lasers de faible puissance (quelques milliwatts) utilisent une décharge électrique pour créer un plasma basse pression dans un tube de verre ; presque tous émettent dans le rouge à 633 nm. Ces dernières années, la majorité des applications HeNe sont passées aux diodes laser visibles. Les applications typiques incluent les lecteurs de codes-barres, les tâches d'alignement dans les industries de la construction et du bois, et une foule d'applications de visée et de pointage allant de la chirurgie médicale à la physique des hautes énergies. En fait, la diode laser est devenue de loin le type de laser le plus courant, avec une utilisation vraiment massive dans les télécommunications et le stockage de données (par exemple, DVD, CD). Dans une diode laser, le flux de courant crée des porteurs de charge (électrons et trous) dans une jonction pn. Ceux-ci se combinent et émettent de la lumière par émission stimulée. Les diodes laser sont disponibles sous forme d'émetteurs simples avec des puissances allant jusqu'à des dizaines de watts et sous forme de barres linéaires monolithiques avec de nombreux émetteurs individuels. Ces barres peuvent être assemblées en réseaux 2D avec des puissances de sortie totales de l'ordre du kilowatt. Ils sont utilisés à la fois en fonctionnement CW et pulsé pour les applications dites à diodes directes. Mais plus important encore, les diodes laser sous-tendent désormais de nombreux autres types de lasers, où elles sont utilisées comme pompes optiques qui effectuent la conversion de puissance électrique-optique initiale. Basés sur un tube à décharge plasma fonctionnant à fort courant, ces lasers en phase gazeuse sont volumineux et peu efficaces, générant une grande quantité de chaleur qui doit être activement dissipée. Le tube a également une durée de vie finie et représente donc un consommable coûteux. Dans la plupart des applications antérieures, le laser ionique émettant à des longueurs d'onde bleues ou vertes était remplacé par des lasers DPSS. Ici, le milieu de gain est un cristal dopé au néodyme (généralement Nd:YAG ou Nd:YVO4) pompé par une ou plusieurs diodes laser. Le fondamental proche infrarouge à 1064 nm est ensuite converti en sortie verte à 532 nm à l'aide d'un cristal de doublage intracavité. Le laser DPSS, à son tour, a été mis au défi par plusieurs technologies plus récentes, l'OPSL étant la plus performante d'entre elles. Ici, le milieu de gain est un laser à semi-conducteur de grande surface qui est pompé par une ou plusieurs diodes laser. L'OPSL offre de nombreux avantages, notamment l'évolutivité de la longueur d'onde et de la puissance. Plus précisément, ces lasers peuvent être conçus pour fonctionner à pratiquement n'importe quelle longueur d'onde visible, libérant enfin les applications des restrictions des choix limités de longueur d'onde héritée (c'est-à-dire 488 et 514 nm des lasers à argon-ion et 532 nm des lasers YAG à fréquence doublée). En effet, les OPSL représentent un changement de paradigme dans les lasers car ils peuvent être conçus pour les besoins de l'application au lieu de l'inverse. OPSL est désormais une technologie de pointe dans les applications de bioinstrumentation à faible puissance, notamment à 488 nm ; l'évolutivité de la puissance et le faible bruit inhérent à la technologie OPSL voient maintenant les OPSL verts et jaunes multiwatts se déplacer fortement vers d'autres applications, y compris la recherche scientifique, la médecine légale, l'ophtalmologie et les spectacles de lumière. s, les lasers à dioxyde de carbone (CO2), qui utilisent la technologie de la décharge plasma, émettent dans l'infrarouge moyen autour de 10 µm. La plupart sont en CW ou pseudo-CW, avec des puissances de sortie commerciales allant de quelques watts à plusieurs kilowatts. Une technologie similaire est le laser au monoxyde de carbone (CO), qui a été développé à l'origine dans les années 1960, mais qui n'a été rendu vraiment pratique pour une utilisation industrielle qu'en 2015. Les lasers CO émettent dans la gamme spectrale de 5 à 6 µm. Cette sortie infrarouge moyen à longueur d'onde plus courte offre deux avantages importants pour certaines applications par rapport aux lasers CO2. La première est que de nombreux métaux, films, polymères, diélectriques PCB, céramiques et composites présentent une absorption significativement différente à la longueur d'onde plus courte, qui peut parfois être exploitée à son avantage. La seconde est qu'ils peuvent être focalisés sur des tailles de spot plus petites en raison de la diffraction, qui évolue linéairement avec la longueur d'onde. Ensemble, ces caractéristiques permettent au laser CO de fournir des résultats supérieurs dans certaines applications de traitement du verre, de découpe de film et de traçage de céramique. Une autre technologie importante est le laser à fibre, qui peut être utilisé dans les formats CW, Q-switch et à verrouillage de mode et émet généralement à environ 1 μm (lorsque la fibre est dopée à l'ytterbium). Dans un laser à fibre, le résonateur est formé par une grande zone de mode, une fibre optique à double gaine (avec la gaine externe contenant le dopant) et des réseaux de Bragg à fibre pour les miroirs du résonateur. Celui-ci est pompé à chaque extrémité par une série de lasers à diodes, dont les sorties sont couplées par fibre dans la fibre de gain.

Le laser à fibre offre plusieurs avantages importants. La première est que la sortie est naturellement délivrée par fibre, ce qui facilite le couplage dans de nombreuses machines-outils laser et l'intégration du laser avec des systèmes de distribution robotisés. Ensuite, la qualité du faisceau laser à fibre est suffisante pour le coupler en petites fibres, permettant au faisceau d'être focalisé sur de petits points afin d'obtenir les densités de puissance élevées requises pour le soudage, le découpage et d'autres processus industriels des métaux. L'architecture laser à fibre se prête également à la mise à l'échelle de la puissance. Un seul ensemble de pompes et de fibre de gain peut généralement produire des puissances de sortie allant jusqu'à plusieurs kilowatts, mais il est également possible d'utiliser des combineurs de fibres pour permettre la mise à l'échelle de la puissance, atteignant des puissances de sortie supérieures à 10 kW. Enfin, les lasers à fibre ont une efficacité de prise murale élevée (la conversion de l'énergie électrique d'entrée en lumière laser) par rapport aux lasers au CO2 et à l'état solide, et peuvent également nécessiter peu de maintenance. Cela réduit le coût de possession.

Les lasers Nd:YAG, CO2, à fibre et à diode directe sont les bêtes de somme des applications laser industrielles. Les lasers à diode directe, en particulier, offrent le coût par watt le plus bas de tous les types de lasers industriels, ainsi que les coûts d'exploitation les plus bas, en raison de leur efficacité électrique élevée. Les lasers à diode directe desservent principalement les applications à faible luminosité, telles que le traitement thermique, le revêtement et certaines applications de soudage. En revanche, les diodes ou matrices laser haute puissance ne peuvent rien fournir de proche du faisceau à diffraction limitée fourni par d'autres types de laser. L'avènement de la technologie de décharge en dalle a permis de réduire considérablement le rapport taille/puissance des lasers CO2, augmentant ainsi leur utilité dans les applications inférieures au kilowatt. Les conceptions de guides d'ondes à faible coût soutiennent également un marché sain pour les lasers CO2 avec des puissances de l'ordre de dizaines de watts, principalement dans les applications de marquage et de gravure.

Au cours de la dernière décennie, les lasers à fibre haute puissance (> 1 kW) ont dominé les applications de découpe de métaux dans la plage d'épaisseur de 4 à 6 mm, car ils offrent généralement d'excellents résultats, ainsi que des coûts de maintenance inférieurs à ceux des lasers CO2 de puissance similaire. De plus, les lasers à fibre proche infrarouge sont avantageux pour couper certains métaux, tels que le cuivre, l'aluminium et le laiton, qui sont difficiles à couper avec du CO2 en raison de leur haute réflectivité dans l'infrarouge lointain.

Les lasers CO2 continuent d'être utilisés pour des matériaux encore plus épais, mais c'est principalement parce que les processus ont été optimisés pour ce laser et que les fabricants tardent à changer un processus de production qui fonctionne bien. Cependant, cela est susceptible de changer avec le temps. Les lasers CO2 à 1 kW et moins sont encore utilisés dans certaines applications de découpe de métaux plus fins (2 à 4 mm). Et les lasers CO2 restent le premier choix lorsque des métaux et des non-métaux doivent être traités. En effet, leur longueur d'onde plus longue est bien absorbée par une large gamme de matériaux non métalliques, notamment le bois, le papier, le cuir, le tissu, les plastiques et de nombreux autres produits organiques, alors que la sortie laser à fibre proche infrarouge ne l'est pas.

Nd:YAG peut fournir la puissance de crête élevée pour les applications de traitement des matériaux telles que le soudage des métaux. Dans ces applications industrielles lourdes, la puissance brute est plus importante que la qualité du faisceau, et pendant de nombreuses années, ces lasers ont été pompés par lampe. Mais les caractéristiques de puissance et de durée de vie toujours croissantes des diodes laser amènent ces lasers à passer au pompage par diodes ; c'est-à-dire les lasers DPSS. À l'inverse, les lasers DPSS à commutation Q de faible puissance sont souvent basés sur Nd:YVO4. Ceux-ci sont généralement optimisés pour une qualité de faisceau élevée pour les applications de micro-usinage et de microstructuration avec des taux de répétition élevés (jusqu'à 250 kHz) pour prendre en charge les processus à haut débit. Ils sont disponibles avec des puissances allant jusqu'à des dizaines de watts avec un choix de sortie proche infrarouge (1064 nm), verte (532 nm) ou UV (355 nm). Les UV sont populaires pour produire de petites caractéristiques dans des matériaux "délicats" car ils peuvent être focalisés sur un petit point et minimisent les dommages thermiques périphériques. Les versions UV profondes (266 nm) commencent à être utilisées dans certaines applications, mais leur coût relativement élevé et le besoin d'optiques de livraison de faisceau spécialisées font que de nombreuses applications potentielles s'appuient plutôt sur des lasers 355 nm optimisés pour une courte durée d'impulsion, ce qui peut produire des résultats similaires dans de nombreux matériaux. Les excimères représentent une autre technologie laser pulsée importante. Ils peuvent produire plusieurs longueurs d'onde discrètes dans tout l'UV; selon la combinaison de gaz, l'émission varie de 157 à 348 nm. La raie UV profonde à 193 nm est la source la plus largement utilisée pour les procédés de lithographie dans l'industrie des semi-conducteurs. La longueur d'onde de 308 nm est utilisée pour le recuit du silicium dans les écrans hautes performances. La même longueur d'onde est également essentielle pour générer une surface d'usure longue durée unique sur les chemises de cylindre des moteurs diesel hautes performances. Et enfin, les excimères ont une capacité unique à produire des énergies d'impulsion élevées - jusqu'à un joule par impulsion. Cela permet l'écriture directe de circuits électroniques à faible coût pour des applications telles que les consommables médicaux. Les lasers ultrarapides pour les applications scientifiques sont dominés par le Ti:saphir, comme déjà décrit. Les lasers ultrarapides sont également une technologie à croissance rapide pour le micro-usinage et d'autres applications de traitement de matériaux de haute précision. Bien qu'il existe une certaine diversité dans la forme et la construction des lasers ultrarapides industriels disponibles dans le commerce, ils utilisent tous une certaine configuration de base. Plus précisément, un oscillateur à verrouillage de mode passif est utilisé pour générer une sortie aux largeurs d'impulsion d'environ 10 ps ou plus courtes qui sont nécessaires pour entraîner la photoablation. Cependant, la plupart des oscillateurs à verrouillage de mode produisent des impulsions d'énergie relativement faibles (de l'ordre du nanojoule) à des taux de répétition de l'ordre de dizaines de mégahertz. Les meilleurs résultats pour le micro-usinage sont obtenus lorsque le chevauchement d'impulsion à impulsion est compris entre 50 % et 70 %. En d'autres termes, le mécanisme de déviation du faisceau déplace le faisceau d'environ un tiers du diamètre du faisceau avant l'arrivée de la prochaine impulsion ultrarapide. Par conséquent, un taux de répétition de l'ordre de dizaines de mégahertz est trop élevé pour être utilisé avec la technologie de balayage existante, de sorte qu'un sélecteur d'impulsions sélectionne une fraction de ces impulsions. L'énergie de ces impulsions est ensuite amplifiée dans un amplificateur pour produire la sortie finale. La plupart des produits picosecondes commerciaux sont basés sur l'une des architectures suivantes :• Un oscillateur laser à fibre suivi d'un amplificateur de type fibre ou tige• Un oscillateur laser à fibre suivi d'un amplificateur en espace libre• Un oscillateur à semi-conducteurs pompé par diode suivi d'un amplificateur en espace libreL'approche tout fibre (oscillateur et amplificateur) présente l'avantage d'être relativement peu coûteuse et a le potentiel d'être robuste. Le gros point négatif est que les non-linéarités, la diffusion et d'autres effets dans l'amplificateur à fibre limitent l'énergie maximale par impulsion pouvant être atteinte à environ 10 µJ (à une largeur d'impulsion de 10 ps). Ce niveau d'énergie d'impulsion peut répondre à certaines applications, mais un grand nombre d'applications sont desservies par des énergies d'impulsion de l'ordre de 100 µJ. On peut utiliser des fibres spéciales pour augmenter le mode à l'intérieur de la fibre et permettre ainsi des énergies d'impulsion plus importantes, mais de telles fibres conduisent à des rayons de courbure limités et apportent donc leurs propres limitations d'emballage. Pour obtenir les énergies d'impulsion plus élevées requises pour la plupart des applications, un oscillateur à fibre peut être couplé à un amplificateur en espace libre. En raison de la sortie d'énergie relativement faible du germe de fibre, un amplificateur régénératif est souvent utilisé. Dans un amplificateur régénératif, une impulsion subit un grand nombre de passages et peut donc être fortement amplifiée. Les amplificateurs régénératifs ont également l'avantage d'être compacts et de fournir de bonnes performances de faisceau. La troisième approche consiste à utiliser un oscillateur à semi-conducteurs pompé par diode (généralement avec Nd: YVO4 comme milieu de gain), qui peut produire des énergies d'impulsion plus élevées qu'un grain de fibre. Ceci est suivi d'un amplificateur en espace libre, généralement dans une configuration régénérative ou multipasse. En fait, plus d'un étage d'amplification peut augmenter la puissance à des niveaux aussi élevés que 100 W. Enfin, il existe de nombreux autres types de lasers de niche et exotiques qui dépassent le cadre de cet article de synthèse. Les exemples incluent les lasers Raman utilisés dans les télécommunications, les lasers à cascade quantique utilisés dans certaines applications de détection de gaz et les lasers chimiques, qui ont tendance à être limités aux programmes militaires.