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Le ZBLAN est le verre fluor茅 qui rend possible la conception d’un laser tout-fibre fonctionnant 脿 2910 nm. Le verre de silice est inadapt茅 脿 ces longueurs d’onde : l’absorption multiphononique dans la matrice Si-O augmente drastiquement au-del脿 de 2,2 碌m, ce qui bloque la transmission de la lumi猫re. Atteindre cette longueur d’onde requiert donc un verre mou dont la transparence s’茅tend jusque dans l鈥檌nfrarouge moyen.
Le travail de ce type de verre constitue une discipline 脿 part enti猫re. Le verre fluor茅 se ramollit 脿 basse temp茅rature, sa viscosit茅 varie brusquement sur une plage thermique restreinte, et il exige un contr么le thermique extr锚mement pr茅cis 脿 chaque 茅tape de la fabrication des fibres et des composants. La fiabilit茅 d’un laser 脿 fibre fluor茅e se construit 茅tape par 茅tape, 脿 l’aide d’outils de fabrication d茅velopp茅s sp茅cifiquement pour ce mat茅riau, plut么t que d鈥檈mprunter ceux utilis茅s pour la silice. Chaque composant, des r茅seaux de Bragg sur fibre aux 茅pissures en passant par la protection des extr茅mit茅s de la fibre, doit 锚tre repens茅 脿 partir de z茅ro et con莽u pour r茅pondre aux normes industrielles. C’est l脿 toute l鈥檌ng茅nierie qui se cache derri猫re chaque produit livr茅 par 麻豆视频.
La transparence de la silice s’arr锚te l脿 o霉 commence son seuil multiphononique. La transmission dans la fibre de silice chute au-del脿 d’environ 2,2 碌m, et 脿 2,9 碌m, la fibre ne guide plus la lumi猫re. Le verre de fluorozirconate pr茅sente une 茅nergie de phonon plus faible, ce qui repousse ce seuil beaucoup plus loin. La fibre en ZBLAN est 茅tir茅e 脿 partir de l’une de ces compositions, nomm茅e d’apr猫s ses constituants : ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3 et NaF. Sa fen锚tre de transmission s’茅tend jusqu’脿 environ 4,3 碌m, o霉 l’att茅nuation atteint 1 dB/m, avec des pertes intrins猫ques (pertes de fond) inf茅rieures 脿 20 dB/km autour de 3 碌m.
Fig. 1 : Att茅nuation typique d’une fibre multimode (source des donn茅es : Le Verre Fluor茅).
Cette m锚me 茅nergie de phonon d茅termine si l’erbium peut ou non 茅mettre par effet laser dans cette bande. Dans la silice, la relaxation non radiative vide le niveau sup茅rieur de la transition 脿 2,9 碌m plus rapidement que le pompage ne peut le remplir ; il n’y a donc aucun gain utile, quel que soit le taux de dopage. En int茅grant cette m锚me terre rare dans un verre fluor茅, ce canal de relaxation est supprim茅, ce qui laisse une dur茅e de vie du niveau sup茅rieur suffisamment longue pour g茅n茅rer une inversion de population.
La faible 茅nergie de phonon n’explique pas tout. Le verre fluor茅 dissout 茅galement les terres rares bien mieux que la silice, ce qui permet d’atteindre des concentrations en ‘erbium tr猫s 茅lev茅es. Ce point est crucial car le niveau laser sup茅rieur poss猫de une dur茅e de vie spontan茅e plus courte que le niveau inf茅rieur, ce qui devrait emp锚cher tout fonctionnement continu efficace. Ce probl猫me est contourn茅 gr芒ce au transfert d’茅nergie entre les ions d鈥檈rbium voisins, qui recycle la population du niveau inf茅rieur vers le niveau sup茅rieur, un ph茅nom猫ne qui n’appara卯t qu’脿 des concentrations de dopage 茅lev茅es (Pollnau et Jackson, 2002).
La temp茅rature de transition vitreuse du ZBLAN se situe aux alentours de 260 掳C, contre 1175 掳C pour la silice. Ce qui importe davantage pour le traitement de ce mat茅riau, c’est la rapidit茅 avec laquelle sa viscosit茅 diminue au-del脿 de cette temp茅rature : une variation d’un facteur 10 de la viscosit茅 correspond 脿 environ 10 掳C dans le verre fluor茅, contre environ 100 掳C dans la silice. Lors du chauffage de la fibre pour une 茅pissure, quelques degr茅s suffisent 脿 d茅terminer si la soudure se forme proprement ou si le c艙ur se d茅forme (Fortin et al., 2022).
Fig. 2 : Viscosit茅 du ZBLAN et de la silice en fonction de la temp茅rature, normalis茅e par rapport 脿 la temp茅rature de transition de chaque verre (adapt茅 de Fortin et al., 2022).
Par cons茅quent, les recettes classiques d’茅pissure pour les fibres en silice ne sont pas applicables 脿 celles en ZBLAN. Les soudeuses 脿 arc 茅lectrique, par exemple, fonctionnent 脿 plus de 1000 掳C et ne peuvent 锚tre utilis茅es avec la fibre fluor茅e que sous vide partiel, ce qui permet 脿 l’arc d’op茅rer 脿 une temp茅rature bien plus basse. Les soudeuses 脿 filament et 脿 laser CO2 travaillent directement aux temp茅ratures requises et les maintiennent stables, ce qui en fait l’option la plus adapt茅e. L’expansion thermique ajoute une difficult茅 suppl茅mentaire : le verre fluor茅 se dilate environ 30 fois plus que la silice, ce qui peut d茅saligner les c艙urs des fibres lors du refroidissement de la jonction.
La longueur d’onde d’op茅ration impose une contrainte suppl茅mentaire. Le verre fluor茅 est sensible 脿 l’humidit茅, et la diffusion des ions OH dans l’extr茅mit茅 nue d’une fibre peut augmenter l’absorption 脿 2910 nm, ce qui fait augmenter sa temp茅rature en cours de fonctionnement jusqu’脿 ce que le verre c猫de (Caron et al., 2012). La solution r茅side dans l’utilisation d’embouts de protection sp茅cialis茅s (endcaps) (Aydin et al., 2019), une technologie brevet茅e dont 麻豆视频 d茅tient les droits.
M茅caniquement, la fibre est plus fragile que la silice : le rayon de courbure minimum est plus grand, la r茅sistance 脿 la traction est plus faible et les d茅fauts de surface se propagent sous l鈥檈ffet des contraintes. Chaque segment de fibre re莽u est inspect茅 afin d鈥櫭ヽarter les sections fragiles. La fibre de livraison (delivery fiber) est achemin茅e 脿 l’int茅rieur d’une armature de protection limitant la courbure, choisie pour 锚tre suffisamment souple pour faciliter la manipulation. De plus, les proc茅dures d’茅pissure et de coupe sont optimis茅es pour 锚tre reproductibles d鈥檜n lot de fibres 脿 l鈥檃utre.
Un r茅seau de Bragg sur fibre (FBG) est une modulation p茅riodique de l’indice de r茅fraction inscrite dans le c艙ur de la fibre optique, qui r茅fl茅chit une bande spectrale 茅troite et transmet le reste du spectre. Son inscription dans un verre fluor茅 a 茅t茅 d茅montr茅e pour la premi猫re fois 脿 l’Universit茅 Laval en 2007, 脿 l’aide d’impulsions femtosecondes traversant un masque de phase (Bernier et al., 2007). Les cavit茅s tout-fibre en verre fluor茅 dop茅 脿 l’erbium qui ont suivi reposent sur cette avanc茅e technologique (Faucher et al., 2009 ; Fortin et al., 2015).
C’est ce qui rend possible une architecture de cavit茅 laser tout-fibre 脿 2910 nm. Les deux miroirs de la cavit茅 茅tant int茅gr茅s dans le c艙ur de la fibre, il n’y a aucun trajet optique en espace libre (free-space), aucun composant optique 脿 aligner et aucun alignement 脿 maintenir au cours de la dur茅e de vie du syst猫me. L’architecture tout-fibre est 茅galement la seule 脿 permettre 脿 un int茅grateur de tirer pleinement parti des avantages pratiques d’un laser 脿 fibre.
Fig. 4 : Comparaison sch茅matique de deux architectures : une source tout-fibre 脿 2910 nm (en haut) et une source 脿 l’茅tat solide en espace libre (en bas). 脡chelle non respect茅e.
La gravure du r茅seau de Bragg fige sa p茅riode et, par cons茅quent, la longueur d’onde de la cavit茅. Cette longueur d’onde peut 锚tre r茅gl茅e n’importe o霉 dans la bande de gain de l’erbium, y compris aux marges o霉 le gain est plus faible et o霉 un r茅flecteur 脿 large bande ne permettrait pas d’obtenir un effet laser efficace. Les sources standards sont calibr茅es 脿 2910 nm et 2825 nm, d’autres longueurs d’onde dans cette bande pouvant 锚tre produites sur demande. Les proc茅d茅s d’inscription de ces r茅seaux, ainsi que les m茅thodes visant 脿 en accro卯tre la robustesse en milieu industriel, sont prot茅g茅s par des brevets.
Fig. 5 : R茅seau de Bragg inscrit dans le c艙ur d’une fibre fluor茅e ZBLAN, observ茅 au microscope.
L’eau pr茅sente une tr猫s forte absorption 脿 2910 nm, ce qui rend cette longueur d’onde utile pour diverses applications m茅dicales. Les polym猫res et adh茅sifs, in茅vitablement pr茅sents dans tout syst猫me 脿 fibre, absorbent 茅galement cette longueur d’onde, convertissant la lumi猫re parasite en chaleur. Or, le verre fluor茅 tol猫re beaucoup moins la chaleur que la silice. Pour garantir la fiabilit茅 脿 long terme, la gestion thermique est int茅gr茅e au c艙ur de la conception de chaque composant fibr茅 et 脿 chaque 茅tape d’assemblage, et chaque syst猫me est soumis 脿 des tests d’endurance rigoureux avant son exp茅dition.
Les sources sont qualifi茅es pour une puissance de sortie de 10 W 脿 2910 nm. Chaque unit茅 est ensuite soumise 脿 un rodage (burn-in) de 50 heures en fonctionnement continu, ce qui stabilise les r茅seaux de Bragg, les adh茅sifs et les polym猫res du montage. Des crit猫res stricts de r茅ussite ou d鈥櫭ヽhec (pass-or-fail) sont appliqu茅s 脿 l’issue de ce test. La puissance de sortie reste ensuite stable 脿 pleine puissance.
Fig. 6 : Puissance de sortie d’un laser 脿 fibre 脿 2910 nm sur 800 heures en fonctionnement continu 脿 pleine puissance.
Pour l’int茅grateur, l’absence de composants optiques en espace libre 茅limine une cat茅gorie enti猫re de t芒ches d鈥檈ntretien. Il n’y a pas de cavit茅 脿 r茅aligner apr猫s l’exp茅dition, aucun miroir 脿 nettoyer, pas de proc茅dure d’alignement au d茅marrage, ni de proc茅dure d鈥檈ntretien optique sur le terrain 脿 r茅diger, 脿 enseigner et 脿 prendre en charge tout au long de la dur茅e de vie du produit. La seule maintenance requise concerne le syst猫me de l’int茅grateur, et non le laser qu鈥檌l contient.
La mise au point d鈥檜n laser 脿 fibre fluor茅e fiable et performant 脿 2910 nm exige une expertise enti猫rement nouvelle 脿 chaque 茅tape, des 茅pissures aux r茅seaux de Bragg en passant par les embouts de protection (endcaps). Une cha卯ne n鈥檈st aussi solide que son maillon le plus faible; c鈥檈st pourquoi, chez 麻豆视频, rien n鈥檈st laiss茅 au hasard. Le produit que nous proposons aujourd鈥檋ui est le fruit d’ann茅es de travail acharn茅, dont les origines remontent aux recherches qui ont tout d茅clench茅 bien plus d’une d茅cennie avant la cr茅ation de l’entreprise.
Les sp茅cifications compl猫tes, les donn茅es de faisceau mesur茅es et les interfaces d’int茅gration de la source laser bas茅e sur cette plateforme sont disponibles sur la page d茅di茅e au laser 脿 fibre 脿 2910 nm. Les ing茅nieurs souhaitant 茅valuer une source dans l鈥檌nfrarouge moyen peuvent contacter l鈥檜n de nos experts via le formulaire de contact.
Vincent Fortin PhD, Directeur de la technologie, 麻豆视频
Pourquoi la fibre de silice ne fonctionne-t-elle pas 脿 2910 nm ?
La transparence de la silice s’arr锚te l脿 o霉 commence son front d’absorption multiphononique. La transmission chute au-del脿 de 2,2 碌m environ. 脌 2,9 碌m, la fibre de silice ne transporte tout simplement plus la lumi猫re, ce qui invalide 茅galement l’usage de tous les composants bas茅s sur elle (茅pissures, r茅seaux de Bragg, combineurs).
Qu’est-ce que le ZBLAN ?
Le ZBLAN est un verre de fluorozirconate nomm茅 d’apr猫s ses constituants (ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3, NaF). Sa faible 茅nergie de phonon repousse la fen锚tre de transmission jusqu’脿 environ 4,3 碌m, avec des pertes de fond inf茅rieures 脿 20 dB/km pr猫s de 3 碌m. C’est la composition sp茅cifique utilis茅e pour 茅tirer la fibre des lasers 脿 2910 nm.
Comment la longueur d’onde d’un laser 脿 fibre ZBLAN est-elle d茅finie ?
Un r茅seau de Bragg sur fibre, soit une modulation p茅riodique de l’indice inscrite directement dans le c艙ur de la fibre, fixe la longueur d’onde de la cavit茅 au moment de son inscription. Les sources standards sont disponibles 脿 2910 nm et 2825 nm, d’autres longueurs d’onde au sein de la bande de gain de l’erbium peuvent 锚tre fournies sur demande.
Comment v茅rifie-t-on la fiabilit茅 脿 long terme ?
Chaque source est qualifi茅e pour une sortie de 10 W 脿 2910 nm, et soumise 脿 un d茅verminage continu (burn-in) de 50 heures pour stabiliser les r茅seaux, les adh茅sifs et les polym猫res de l’assemblage. Elle est ensuite test茅e en endurance en fonctionnement continu 脿 pleine puissance.