Optiques pour laser :  guide d’achat

Quand nous pensons aux lasers, nous pensons à la lumière cohérente, à des bandes de longueur d’onde très courte et à la puissance. Ces caractéristiques doivent être prises en comptes lors d’utilisation de composants optiques et de faisceaux lasers. Ce guide a pour objectif de donner une bonne compréhension des problématiques de l’achat de composants optiques pour lasers.

Que sont les optiques pour laser ?

Les optiques pour laser sont des composants optiques spécifiques qui ont été pensés et réalisés pour une utilisation avec des lasers. Comparé à des faisceaux de lumière classiques, les faisceaux de lumière émis par les lasers sont normalement plus intenses et également unidirectionnels.

Pour pouvoir focaliser, transmettre, filtrer ou rediriger un faisceau de laser il est nécessaire de disposer de composants optiques prévu à cet effet et la plupart du temps désignés pour être utilisés avec un type de laser précis.  Les optiques utilisées avec un laser continu (CW) ou un laser pulsé peuvent être différentes, de même un composant optique peut être spécifique à un laser 266nm et un autre composant à un laser 1064nm.

En résumé, les optiques pour laser sont prévues pour un usage spécifique avec un laser spécifique.

Tenue au flux des optiques pour laser

La tenue au flux ou LIDT en anglais  (Laser Induced Damage Threshold) correspond à la quantité maximum d’énergie (habituellement exprimé en J/cm2) qu’un composant peut recevoir avant d’être abîmé.

Bien que la tenue au flux est critique pour les applications avec laser de puissance, leur définition n’est pas très simple. Comme les lasers sont habituellement monochromatiques, le LIDT est spécifié pour une longueur d’onde donnée, les optiques pour laser sont définies pour une application précise et ne réagirons pas de la même manière pour une application différente. Il doit également être spécifié si le laser est continu ou pulsé (en précisant la fréquence de pulsation).

Comment optimiser la tenue au flux des optiques lasers ?

Comme nous l’avons vu, la tenue au flux est liée à la quantité d’énergie qui est absorbée par un élément, un élément virtuel avec 100% de transmission n’aurait pas de limite de tenue au flux. Afin de s’approcher des 100% de transmission les optiques pour laser doivent être fabriquées et choisies selon différents critères :

• Matière première :  elle doit correspondre à une bonne transmission dans la longueur d’onde voulue, et avec virtuellement pas d’impuretés car les impuretés conduisent à de l’absorption locale des faisceaux des laser et donc d’énergie et créent donc ainsi des points chauds détériorant plus rapidement les optiques.
• Surface :  meilleur est l’état de surface plus élevée est la transmission au travers de l’optique,  donc plus faible est l’absorption. Utiliser des optiques super-polies permet d’améliorer la tenue au flux.
• Traitements de surface :  La présence de traitements anti-reflet améliore la transmission, sur les optiques pour laser les traitements AR sont en général pointu et focalisés sur une longueur d’onde spécifique, on appelle ces traitements les traitements en V (du fait la forme de leur courbe de transmission).  Il est préférable de travailler avec des application de traitements IBS   (pulvérisation cathodique par faisceau d’ions) qui permettent une meilleur densité de couches et donc une absorption d’eau et d’impuretés inférieurs.
• Propreté :  La tenue au flux dépends de la qualité des surfaces optiques, des éléments avec des saletés auront une tenue au flux détériorée. Pour les optiques pour laser haute puissance, il est nécessaire de fabriquer et de manipuler les optiques dans des salles blanches.

Comment mesurer la tenue au flux des optiques ?

La mesure d’une tenue au flux n’est pas directe, il s’agit d’un test destructif qui demande des équipements onéreux.

Le procédé est d’appliquer un faisceau de laser sur l’optique à mesurer et d’analyser visuellement les altérations éventuelles.  Plusieurs tests peuvent être effectués sur le même composant optique afin d’évaluer au mieux la tenue au flux.

Comme expliqué ci-dessus, la tenue au flux est lié à un laser spécifique, donc pour pouvoir la mesurer il faut posséder ce type de laser. Il est possible d’extrapoler d’un type de laser à un autre, mais sans grande précision et ne peux donc être utilisé de base pour un design optique.

Comme le test est destructif et que les optiques pour laser sont chères, la tenue au flux est souvent « garantie » par le respect d’autres spécifications (matière, type de traitement de surface, polissage, propreté) sans nécessairement effectuer de test de tenue au flux.

Quels matières choisir pour les optiques pour laser ?

Comme nous l’avons vu, il est important de choisir la bonne matière optique avec une forte transmission dans le champs de longueur d’onde du laser. Il est également important de choisir une matière avec peu d’impuretés, certains fabricants de matières optiques nomment les matières de haute pureté comme étant des matirèes de grade laser.

Quelques exemples de matières utilisées pour les optiques pour laser:

• ZnSe pour les laser dans le MidIR (8-12µm)
• CaF2 Nd:YAG lasers (266nm & 4µm), du fait de sa faible absorption, cette matière dispose d’une haute tenue au flux et est donc naturellement souvent privilégiée pour les laser Eximer.
• MgF2 : pour les UV et les laser Eximer.
• Pour les lasers C02 (10.6µm) : Sélénure de Zinc (ZnSe), Germanium (Ge), Arséniure de gallium (GaAs) et Silicium (Si)
• N-BK7/H-K9L du fait de leurs qualités optiques et de leurs prix raisonnables sont également de bonne matières pour des utilisation laser, pourvu que ce ne soit pas des lasers de haute puissance.
• La silice fondue est souvent appréciée pour les optiques pour laser  du fait de sa grande pureté  (mieux que 99,99%)

Les différents composants optiques pour laser

Les différentes optiques pour laser et leurs utilisations :

élément	Utilisation
Lentille	focalisation d’un faisceau laser
Lentilles asphérique	meilleure focalisation d’un faisceau laser
Miroirs pour laser	Redirection et distribution de faisceaux lasers (par exemple pour les applications de scanneurs)
Miroirs pour cavité de pompage laser	Miroirs de réflexions totale et miroir de sortie
Filtres	Améliore la qualité d’un faisceau ou réduis l’intensité du faisceau.
Fenêtre pour laser	Protège les équipements optiques des éléments externes.
Lame d’onde	Differentiation de faisceaux lasers
Séparateur de faisceau	Sépare un faisceau en deux faisceaux de plus petite intensité.