Nouveau laser émettant dans l'ultraviolet – NUTS

Le projet NUTS (New UltravioleT laser System) a pour but de développer une source laser solide pompée par diode dans l'ultraviolet "profond" (à 236,5 nm). Les lasers émettant en dessous de 250 nm ont de nombreuses applications en détection (chimie ou biologie) et dans le domaine du traitement des matériaux. En particulier, un laser à 236,5 nm peut servir à détecter les molécules de NO, par fluorescence ou par spectroscopie Raman. Ces molécules sont présentes dans des explosifs comme le TNT.

En dessous de 250 nm, les lasers à gaz sont très utilisés malgré leurs inconvénients: encombrement, faible rendement électrique-optique, prix, toxicité (pour les excimères). Les lasers à solides classiques pompés par diode ont du mal à les remplacer dans cette gamme de longueur d'onde car ils sont complexes, avec 3 étages de conversion non linéaire.

Dans le projet NUTS, nous proposons le développement d'un laser à solide impulsionnel pompé par diode émettant à 236,5 nm avec deux étages non linéaires seulement. Le laser fondamental est une fibre cristalline en Nd:YAG émettant à 946 nm. L'ambition du projet est d'atteindre une puissance moyenne dans l'UV de l'ordre du watt, soit 50 fois plus que l'état de l'art.

Pour relever ce challenge, le Laboratoire Charles Fabry (LCF) de l'Institut d'Optique et ses partenaires industriels, Fibercryst et Cristal Laser proposent deux clefs.

- La première concerne la source à 946 nm grâce à l'utilisation de fibres cristallines en Nd:YAG. Cette nouvelle technologie laser utilise des milieux longs et fins (diamètre 1mm, longueur 50mm) qui permettent une très bonne gestion de l'échauffement induit par le pompage et un très bon confinement de la pompe à l'intérieur du milieu. Ces propriétés sont très importantes pour un laser Nd:YAG à 946 nm, sensible à la thermique dans le milieu et à la densité de puissance de la pompe à cause de la proximité entre le niveau du bas de la transition et le niveau fondamental. Les premiers résultats obtenus avec les fibres cristallines Nd:YAG à 946 nm placent déjà le LCF en position de leader. Cependant, pour relever le défi du projet NUTS (1W à 236,5 nm), il est nécessaire de pousser encore plus loin la technologie des fibres cristallines. Le projet propose d'explorer un pompage à faible défaut quantique (885 nm au lieu de 808 nm) qui va réduire l'échauffement de plus d'un facteur deux. L'ambition est de réaliser un laser fonctionnant en régime déclenché émettant une puissance moyenne de 20W avec une cadence comprise entre 20 kHz et 100 kHz. Une attention particulière sera portée à la qualité spatiale du faisceau émis et à la qualité de sa polarisation : ces propriétés sont importantes pour réaliser des conversions de fréquence efficaces.

- La deuxième clef concerne les étages de conversion non linéaire. Il s'agit de deux doublements de fréquence en cascade : le premier amenant à 473 nm, le second à 236,5 nm. Les rendements publiés ne dépassent pas 2% pour les deux étages. Le projet NUTS vise un rendement de l'ordre de 5%. Ce dernier sera atteint grâce à la qualité de la source à 946 nm et grâce à aux innovations proposées dans le projet sur la mise en oeuvre des cristaux non linéaires.

Le potentiel de ce travail concerne autant les applications militaires que civiles :
- La détection à distance d'explosifs ou d'agents chimiques dangereux par spectroscopie UV fait explicitement partie des priorité de l'appel à projet.
- les sorties bleues et UV de la source peuvent être utiles pour des applications médicales, pour la détection sous-marine et pour le traitement des matériaux.
- Pour Fibercryst, le projet NUTS offre l'opportunité de pousser la technologie des fibres cristallines Nd:YAG à ses limites et de monter en puissance sur ses modules amplificateurs TARANIS.
- Pour Cristal Laser, le projet NUTS pourrait donner de nouvelles opportunités de développement pour ses cristaux non linéaires (LBO, RTP, KTP).