Une source lumineuse typique émet une lumière qui rayonne dans toutes les directions et qui diminue avec l'augmentation de la distance. Cette atténuation est principalement due au fait que la lumière provenant de ces sources est le résultat d'une multitude de molécules ou d'atomes à l'intérieur de la source qui émettent des photons de manière indépendante au cours d'un rayonnement spontané. En revanche, les lasers amplifient les photons incidents par émission stimulée. En raison [...]
Une source lumineuse typique émet une lumière qui rayonne dans toutes les directions et qui diminue avec l'augmentation de la distance. Cette atténuation est principalement due au fait que la lumière provenant de ces sources est le résultat d'une multitude de molécules ou d'atomes à l'intérieur de la source qui émettent des photons de manière indépendante au cours d'un rayonnement spontané. En revanche, les lasers amplifient les photons incidents par émission stimulée.
En raison des mécanismes de génération de laser différents de ceux des sources de lumière ordinaires, les lasers présentent des caractéristiques uniques qui ne sont pas partagées avec la lumière conventionnelle et qui peuvent généralement être résumées en quatre aspects : la directionnalité, la monochromaticité, la cohérence et la haute intensité.
Les lasers émettent de la lumière par rayonnement stimulé ; chaque photon conserve la même fréquence, la même phase et le même état de polarisation que la lumière incidente, le tout sous le contrôle d'un résonateur optique. Ce contrôle permet au faisceau laser de se propager strictement le long de l'axe du résonateur avec un angle de divergence très faible, proche de celui de la lumière parallèle.
La haute directionnalité des lasers est déterminée par le mécanisme d'émission stimulée et l'influence restrictive du résonateur optique sur la direction du faisceau lumineux oscillant. Des données précises ont montré qu'un faisceau laser émis de la Terre vers la Lune, à une distance d'environ 380 000 kilomètres, produit une tache sur la Lune d'un diamètre inférieur à 1 000 mètres.
Cette excellente directionnalité a conduit à l'utilisation généralisée des lasers dans les domaines de la télémétrie, de la communication et du positionnement. La haute directionnalité des lasers permet une transmission efficace sur de longues distances et une focalisation sur des densités de puissance très élevées, deux éléments cruciaux pour les applications de télémétrie, de communication et de positionnement. traitement au laser.
La couleur de la lumière est déterminée par sa longueur d'onde. La largeur entre les deux longueurs d'onde pour lesquelles l'intensité est égale à la moitié du maximum est typiquement définie comme la largeur de la raie spectrale. Plus la largeur de la ligne spectrale est étroite, plus la lumière est monochromatique. La lumière visible se compose de sept couleurs, chacune ayant une largeur de raie spectrale de 40 à 50 nanomètres.
La monochromaticité des lasers dépasse de loin celle des sources de lumière ordinaires. Par exemple, la largeur de la raie spectrale de la lumière laser rouge émise par un laser hélium-néon n'est que de 10-8 nanomètres, ce qui est nettement plus monochromatique qu'une lampe à krypton. Certains lasers spéciaux ont une monochromaticité encore plus élevée.
La monochromaticité extrêmement élevée des lasers élimine pratiquement la dispersion chromatique (variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde) des lentilles de focalisation, ce qui permet de focaliser précisément le faisceau lumineux sur le point focal et d'obtenir une densité de puissance élevée. L'excellente monochromaticité des lasers constitue un outil avantageux pour les mesures de précision des instruments et pour la stimulation de certaines réactions chimiques dans les expériences scientifiques.
La cohérence décrit principalement les relations de phase entre les différentes parties d'une onde lumineuse, englobant deux aspects : la cohérence temporelle et la cohérence spatiale. Pour les lasers, la distribution spatiale du champ lumineux est généralement décomposée en une distribution le long de la direction de propagation (axe de la cavité) E(z) et une distribution sur la section transversale perpendiculaire à la direction de propagation E(x, y).
Ainsi, les modes de la cavité laser peuvent être divisés en modes longitudinaux et transversaux, représentant respectivement les distributions longitudinale et transversale du champ lumineux des modes de la cavité.
La cohérence temporelle d'un laser fait référence aux relations de phase entre les points situés le long de la direction de propagation du faisceau. Dans les applications pratiques, le temps de cohérence est souvent utilisé pour décrire la cohérence temporelle d'un laser. Plus la largeur de la ligne spectrale est étroite, c'est-à-dire plus la monochromaticité est élevée, plus le temps de cohérence est long.
Les lasers à gaz à fréquence stabilisée monomodes présentent la meilleure monochromaticité, atteignant généralement 106 à 1013 Hz ; les lasers à semi-conducteurs ont une moins bonne monochromaticité, principalement parce que leur courbe de gain est large, ce qui rend difficile le fonctionnement en mode longitudinal unique ; les lasers à semi-conducteurs ont la plus mauvaise monochromaticité.
Le fonctionnement monomode (technologie de sélection de mode) et la stabilisation de la fréquence sont essentiels pour améliorer la cohérence. Un laser monomode transverse stabilisé en fréquence émet une lumière proche d'une onde plane monochromatique idéale, c'est-à-dire totalement cohérente.
La cohérence spatiale d'un laser est la relation de phase entre les points d'un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau. Il s'agit de l'échelle sur laquelle la lumière émise par le faisceau peut converger en un point de l'espace pour former des motifs d'interférence, et la cohérence spatiale est liée à la taille de la source lumineuse.
Une onde plane idéale est totalement cohérente dans l'espace et présente un angle de divergence nul. Toutefois, dans la pratique, en raison des effets de la diffraction, le plus petit angle d'émission de faisceau réalisable par un laser ne peut être inférieur à l'angle limite de diffraction lorsqu'il passe par l'ouverture de sortie.
Pour améliorer la cohérence spatiale d'un laser, il est essentiel, premièrement, de limiter le laser à un seul mode transversal, deuxièmement, de sélectionner le type de cavité optique de manière appropriée et d'augmenter la longueur de la cavité afin d'améliorer la directivité du faisceau. En outre, les inhomogénéités du milieu actif, les erreurs d'usinage et de réglage de la cavité et d'autres facteurs peuvent également dégrader la directivité du faisceau.
Grâce à l'excellente directivité des faisceaux laser, l'énergie émise est confinée dans un angle solide très étroit et l'énergie est concentrée dans une ligne spectrale étroite. Cela augmente considérablement la luminosité spectrale des lasers par rapport aux sources lumineuses conventionnelles. Dans les lasers à impulsions, où l'émission d'énergie est encore comprimée dans un intervalle de temps très court, la luminosité spectrale peut être encore améliorée.
Actuellement, l'augmentation de la puissance de sortie et de l'efficacité est une direction importante dans le développement des lasers. Les lasers à gaz, tels que les lasers à CO2Les lasers à eau chaude et à vapeur peuvent produire la puissance continue la plus élevée, tandis que les lasers à l'état solide peuvent produire la puissance d'impulsion la plus élevée.
L'utilisation de techniques de modulation par cavité optique et d'amplificateurs laser permet notamment de réduire le temps d'oscillation des lasers à des valeurs très faibles (de l'ordre de 10-9 secondes), et l'énergie de sortie peut être amplifiée, ce qui permet d'obtenir une puissance d'impulsion extrêmement élevée. Grâce aux techniques de verrouillage de mode et de compression de la largeur d'impulsion, les largeurs d'impulsion des lasers peuvent encore être comprimées jusqu'à 10-15 secondes.
Plus important encore, puissance du laser (énergie) peut être concentrée dans un seul (ou quelques) mode(s), ce qui permet d'atteindre un degré très élevé de dégénérescence des photons. Lorsqu'un faisceau laser est focalisé à travers une lentille, il peut générer des températures de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de degrés Celsius près du point focal, ce qui permet de traiter tous les matériaux.
Par exemple, le CO2 découpe au laser couramment utilisées dans l'industrie adoptent des longueurs focales de 127 à 190 mm, avec des diamètres de tache focale allant de 0,1 à 0,4 mm, et leur densité d'énergie peut atteindre 10 W/cm.2.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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