Nouvelles Architectures pour les lasers intenses dans le moyen infrarouge – ArchiMid

L’étendue du spectre électromagnétique permet d’imager et de caractériser les propriétés physico-chimiques de la matière à différentes échelles de taille et de temps. Mais tout le spectre n’est pas entièrement couvert : du fait d’un manque de sources lasers adaptées ou de détecteurs efficaces, une des dernières frontières porte sur l’infrarouge moyen (midIR) de 2 à 8 µm, où les sources cohérentes, courtes et intenses sont très peu développées
Or le développement de sources intenses, dans cette gamme est particulièrement important aussi bien en recherche fondamentale qu’appliquée en médecine ou en défense et sécurité, sur les bandes I (0,5-2,5 µm) et II (3-5,5 µm). Suivant les applications, on privilégie tantôt une énergie importante, une large bande spectrale ou une large accordabilité : le midIR couvre ainsi les spectres vibrationnels et rotationnels de nombreuses molécules, et constitue un rayonnement idéal pour l’imagerie hyperspectrale, ou l’analyse de composés atmosphériques par LIDAR.
Il est de fait pourtant difficile de générer efficacement des impulsions lasers à de ces fréquences en raison de la rareté des matériaux lasers émettant dans le midIR. Pour atteindre ces longueurs d’onde, on utilise alors généralement des techniques de conversion de fréquences des lasers proche infrarouge disponibles (Ti:Sa, Yb). Or ces méthodes présentent des problèmes liés à l’absorption forte dans le midIR des cristaux usuels, à l’absorption importante de la pompe par les cristaux non linéaires transparents dans le midIR (AgGaS2, ZGP, CSP) pompés dans le proche infrarouge, et à l’absorption multiphotonique de la pompe qui se produit facilement aux longueurs d’onde < 1 µm. De plus, pour atteindre un bon rapport signal-à-bruit, de nombreuses applications (LIDAR) requièrent à la fois des niveaux importants d’énergie par impulsion, de puissance moyenne, et des cadences de répétition élevées (multi-kHz).
Pour résoudre ces problèmes et générer efficacement du midIR avec les niveaux d’énergie et de puissance aux cadences requises, il faut disposer d’un laser de pompe picoseconde, intense, de cadence > 1 kHz émettant à des longueurs d’onde supérieures à 2 µm. Il faut d’autre part mettre en œuvre une technique de conversion de fréquence utilisant des cristaux non-linéaires efficaces, transparents à la fois à la longueur d’onde de cette pompe et dans le midIR, possédant des seuils d’endommagement élevés, et dont l’accord de phase est très large et peu contraint sur la bande 3 - 5 µm lorsqu’ils sont pompés autour de 2 µm
Le but du projet ArchiMid est de répondre aux défis posés par la génération efficace des rayonnements midIR de 2 à 5 µm. Pour cela, le groupe Optique et Laser Femtoseconde du CELIA (UMR 5107) et l’ISL (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis) se proposent de développer une source basée sur l’amplification dans des matériaux dopées à l’Holmium en pleine émergence.
Le projet prévoit donc, dans un premier temps de réaliser une source laser sub-picoseocnde, intense (10 mJ) à haut taux de répétition (1 kHz) ayant la particularité d’émettre à 2 µm. Ce laser repose sur une architecture hybride fibre-solide compacte et robuste adaptée à l’intégration et la mobilité. De telles caractéristiques lui confèrent un intérêt académique et industriel. Dans un deuxième temps, le niveau d’énergie sera encore augmenté jusqu’à 40 mJ, adaptée à la production de rayonnement secondaire intense qui trouve des applications duales. Ainsi, une telle source est parfaitement adaptée pour de rayonnement XUV jusqu’au keV mais aussi pour le pompage de cristaux non-linéaires capables de générer efficacement un rayonnement midIR sur des plages spectrales exceptionnelles par amplification paramétrique. Suivant l’application civile ou défense, ces rayonnements seront soit ultracourt et intense (quelques cycles optiques), soit à spectre ultra-large (1 à 3 octaves), soit un spectre étroit mais très accordable en bandes II.