Remplacer les cristaux par des céramiques dans les lasers

Les monocristaux sont les matériaux couramment utilisés comme milieu amplificateur dans les lasers. Par rapport à ces matériaux, les céramiques montrent plusieurs avantages: plus grande facilité d'élaboration de grandes pièces complexes, meilleure résistance aux chocs thermiques et aux fractures. Mais toutes ces céramiques sont obtenues au prix d'une forte dépense énergétique. Les chercheurs de l'Institut de recherche de chimie Paris (CNRS / ParisTech) viennent de développer un nouveau procédé peu couteux et peu énergivore pour préparer ces céramiques, sous forme fluorée. Les excellents résultats de transparence et de performance laser laissent présager une véritable rupture technologique avec les monocristaux utilisés actuellement. Ces travaux sont parus dans la revue Optica.

Les verres et les monocristaux sont les matériaux les plus couramment utilisés comme milieu amplificateur optique des lasers solides, bien qu'ils présentent de nombreuses limitations. Par exemple, pour les monocristaux, la qualité cristalline est limitée par la présence de défauts d'empilement étendus tels comme les dislocations. Ils présentent une relative fragilité aux chocs thermomécaniques et leur taille est limitée par les dimensions des dispositifs de croissance cristalline. La part utilisable d'un monocristal issu de la croissance est finalement assez limitée et les rebuts peuvent représenter la majeure partie du produit initial. De plus, la dépense énergétique liée aux longs processus de croissance à très haute température à partir de l'état fondu est très élevée. Les verres, plus faciles à produire en grande dimension, sont largement utilisés dans les amplificateurs lasers de puissance, mais leur conductivité thermique est d'un ordre de grandeur inférieure à celle des milieux cristallins.

Dans ce contexte, les chercheurs tentent d'offrir une alternative crédible aux verres et aux monocristaux. Ainsi, des céramiques transparentes à base de fluorures, susceptibles de fournir une réponse aux limitations observées dans les matériaux monocristallins ou vitreux pourraient assez largement répondre aux attentes des constructeurs de laser. En effet, par rapport aux monocristaux, ces céramiques présentent plusieurs avantages: plus grande facilité d'élaboration de grandes pièces complexes, meilleure résistance aux chocs thermiques et aux fractures.

Aujourd'hui, les céramiques fluorées proposées dans la littérature présentent toutes le même inconvénient: procédé de préparation ultra-complexe utilisant des étapes sous haute pressions et haute température. Toutes les céramiques laser actuelles sont obtenues au prix d'une forte dépense énergétique.

Les chercheurs ont développé un procédé peu couteux et peu énergétivore pour préparer des céramiques fluorées (European Patent Application N° 14.305.495.5). Ils n'utilisent aucune étape sous pression, ni frittage sous vide, ni traitement à très haute température. De plus, les excellents résultats de transparence et de performance laser montrent une véritable avancée dans le domaine des matériaux lasers, véritable rupture technologique avec les oxydes monocristallins couramment utilisés actuellement dans les lasers solides (YAG, Y3Al5O12, ...).

Référence:

P. ABALLEA, A. SUGANUMA, F. DRUON, J. HOSTALRICH, P. GEORGES, P. GREDIN, M. MORTIER
Laser performances of diode-pumped Yb:CaF2 optical ceramics synthesised with an energy-efficient process
Optica 24 mars 2015