Lasers infrarouges moyens : aperçu des applications

La région spectrale de l’infrarouge moyen (IR moyen) est encore peu familière pour la plupart des utilisateurs de lasers, car seuls quelques lasers sont disponibles dans le commerce dans cette gamme de longueurs d’onde. Récemment, de nouveaux lasers infrarouges moyens, compacts et polyvalents, ont été développés et ouvrent la voie à des applications révolutionnaires dans l’industrie, la science, les soins de santé et l’environnement.

Qu’est-ce que l’infrarouge moyen ?

Selon la norme ISO (ISO : 20473:2007)1, l’infrarouge moyen est une partie du spectre électromagnétique qui couvre des longueurs d’onde de 3 à 50 µm. Cette région spectrale est souvent séparée en deux sous-régions, la région infrarouge à ondes moyennes (MWIR), s’étendant de 3 à 8 µm, et la région infrarouge à ondes longues (LWIR), s’étendant de 8 à 15 µm.

Pourquoi des lasers dans l’infrarouge moyen ?

Les lasers sont aujourd’hui largement utilisés pour le traitement des matériaux, les procédures chirurgicales, les télécommunications, la spectroscopie, les applications de défense et les sciences fondamentales. Les lasers dans l’infrarouge moyen sont de plus en plus intéressants pour la recherche et l’industrie car ils offrent des avantages sans précédent dans tous ces domaines d’application. Voici pourquoi :

Les lasers dans l’infrarouge moyen peuvent être absorbés sélectivement par des matériaux ou des molécules.

C’est dans l’infrarouge moyen que se trouvent les résonances vibratoires fondamentales de la plupart des liquides, des gaz et des non-métaux comme les plastiques, les verres ou les tissus biologiques. La figure 1 montre que les fortes bandes d’absorption de l’eau, du méthane, du CO2 et des polymères sont principalement situées dans l’infrarouge moyen. Lorsque la longueur d’onde d’émission d’un laser dans l’infrarouge moyen chevauche ces résonances, la lumière est absorbée sélectivement par ces matériaux ou molécules. Une meilleure absorption signifie un meilleur contrôle, une plus grande précision, une plus grande efficacité et une plus grande vitesse pour les applications chirurgicales et de traitement des matériaux ou une meilleure sélectivité et un meilleur rapport signal/bruit pour la spectroscopie et la microscopie.

Les lasers ayant des longueurs d’onde fixes ou accordables dans l’infrarouge moyen trouvent donc de sérieuses applications dans la spectroscopie infrarouge2, y compris la surveillance des gaz de l’environnement3 et l’analyse de l’haleine4, ainsi qu’en microscopie5, en chirurgie laser mini-invasive6 et en traitement laser non métallique (découpe, perçage, traitements de surface, etc.). Comparée à l’absorption UV, l’ablation sélective dans l’infrarouge moyen peut jouer un rôle majeur dans le traitement laser des dispositifs multicouches dans les industries électronique, photonique ou médicale, où il est important de traiter une couche particulière sans affecter les autres couches adjacentes.
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Figure 1: Absorption bands of important molecules and materials.

Les lasers dans l’infrarouge moyen peuvent être transmis sur de grandes distances dans l’atmosphère.

L’infrarouge moyen contient également deux grandes fenêtres de transmission atmosphérique (régions de 3-5 µm et de 8-12 µm), où l’absorption par les principaux constituants de l’atmosphère est très faible, comme le montre la figure 2. Les lasers dans ces fenêtres spectrales peuvent être propagés sur de longues distances, ce qui permet plusieurs applications dans la défense (par exemple, les contre-mesures de missiles) et dans les communications en espace libre.

Figure 2: Atmospheric transmission is higher in the mid-infrared. Adapted from [9].

Les lasers mi-IR sont les outils scientifiques idéaux

Les lasers dans l’IR moyen constituent également des outils de laboratoire idéaux pour les applications scientifiques, notamment l’optique non linéaire, la photonique du silicium, l’optique quantique10, la physique des champs élevés11, les peignes de fréquence12 et la génération de supercontinuum13. Ces applications avancées conduiront certainement à de nouvelles découvertes passionnantes sur les lasers, qui se traduiront par des applications dans le monde réel.

Si vous avez d’autres applications en tête ou si vous souhaitez en savoir plus sur la façon dont les lasers à fibre Femtum peuvent vous aider dans vos applications dans l’infrarouge moyen, n’hésitez pas à nous contacter !

References:

[1] ISO 20473:2007, Optics and Photonics – Spectral bands
[2] J. Haas and B. Mizaikoff, “Advances in mid-infrared spectroscopy for chemical analysis”. Annual Review of Analytical Chemistry, 2016, vol. 9, p. 45-68.
[3] F.K. Tittel, “Mid-infrared Laser Based Gas Sensor Technologies for Environmental Monitoring, Medical Diagnostics, Industrial and Security Applications”, In Terahertz and Mid Infrared Radiation: Detection of Explosives and CBRN (Using Terahertz), 2014.
[4] B. Henderson et al., “Laser spectroscopy for breath analysis: towards clinical implementation”, Applied physics B, 2018, vol. 124, p. 1-21.
[5] M. A. Pleitez et al., “Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in livings cells”, Nature biotechnology, 2019, vol. 38, p. 293-296.
[6] S. Amini-Nik et al., “Ultrafast Mid-IR laser scalpel: Protein signals of the fundamental limits to minimally invasive surgery, PLOS ONE, 2010, vol. 5, p. e13053.
[7] J. Hecht, “Photonic Frontiers: Laser countermeasures: scaling down mid-IR laser countermeasures for smaller aircraft”, Laser focus world, 2014.
[8] N. S. Prasad, “Optical communications in the mid-wave IR spectral band”. In: Free-space laser communications. Optical and fiber communications reports, 2005, vol 2, p. 347-391.
[9] Infrared windows
[10] L. M. Rosenfeld, “Mid-infrared quantum optics in silicon”, arXiv:1906.10158, 2019.
[11] T. Popmintchev et al., “Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV X-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers.”, Science, 2012, vol. 336, p. 1287-1291.
[12] A. Schliesser et al., “Mid-infrared frequency combs”, Nature Photonics, 2012, vol. 6, p. 440-449.
[13] L.R. Robichaud et al., “High-power supercontinuum generation in the mid-infrared pumped by a soliton self-frequency shifted source”, Optics Express, 2020, vol. 28, p. 107-115.
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