Imaginez un faisceau de lumière suffisamment puissant pour couper l'acier ou effectuer des opérations chirurgicales délicates. Cet article plonge dans le monde fascinant de la technologie laser, en explorant les principaux composants et principes qui rendent les lasers possibles. Du milieu actif au résonateur optique, chaque élément joue un rôle crucial dans la génération et l'amplification de la lumière laser. Les lecteurs acquerront une compréhension complète du fonctionnement des lasers et de la science qui sous-tend cette technologie révolutionnaire. Préparez-vous à découvrir les secrets de ces extraordinaires faisceaux de lumière !
La structure de base du laser est illustrée à la figure 1 et se compose des éléments suivants :
La production de lumière laser nécessite un milieu actif approprié, qui peut être un gaz, un liquide, un solide ou un semi-conducteur. Dans ce milieu, l'inversion de population peut être réalisée pour créer les conditions nécessaires à la production de lumière laser. L'existence de niveaux d'énergie métastables facilite grandement l'inversion de population.
Il existe près d'un millier de types de milieux actifs capables de produire des longueurs d'onde laser allant de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain, couvrant ainsi un large spectre.
En tant que cœur du laser, le milieu actif se compose de particules activatrices (généralement des métaux) et d'une matrice. La structure des niveaux d'énergie des particules activatrices détermine les caractéristiques spectrales et la durée de vie de la fluorescence du laser, tandis que la matrice détermine principalement les propriétés physiques et chimiques du milieu actif.
Les lasers peuvent être divisés en systèmes à trois niveaux (tels que les lasers à rubis) et en systèmes à quatre niveaux (tels que les lasers Nd:YAG) en fonction de la structure des niveaux d'énergie des particules de l'activateur. Les formes couramment utilisées pour le milieu actif sont la forme cylindrique (la plus répandue), la forme plane, la forme en disque et la forme tubulaire.
Pour obtenir une inversion de population dans le milieu actif, les atomes doivent être excités d'une certaine manière afin d'augmenter le nombre de particules à des niveaux d'énergie plus élevés. Une sortie laser continue nécessite un "pompage" constant pour maintenir une population de particules plus élevée au niveau d'énergie supérieur qu'au niveau inférieur, c'est pourquoi la source de pompage externe est également appelée source de pompage.
La source de pompage fournit l'énergie nécessaire pour inverser la population entre les niveaux d'énergie élevés et faibles, le pompage optique étant la principale méthode utilisée aujourd'hui. La source de pompage doit remplir deux conditions fondamentales : elle doit avoir un rendement lumineux élevé et ses caractéristiques spectrales doivent correspondre au spectre d'absorption du milieu actif. Les sources de pompage les plus courantes sont les lampes à décharge à gaz inerte, l'énergie solaire et les lasers à diodes.
Les lampes à décharge à gaz inerte sont les sources de pompage les plus couramment utilisées. Le pompage à l'énergie solaire est souvent utilisé pour les dispositifs de faible puissance, en particulier les petits lasers dans les applications spatiales qui peuvent utiliser l'énergie solaire comme source d'énergie permanente. Le pompage par diode représente l'orientation future des lasers à l'état solide, combinant de nombreux avantages et devenant l'un des lasers qui se développent le plus rapidement.
Les méthodes de pompage des diodes peuvent être divisées en deux types : le pompage transversal (pompage de la face frontale avec une incidence coaxiale) et le pompage longitudinal (pompage latéral avec une incidence verticale).
Les lasers à l'état solide pompés par diode présentent de nombreux avantages, notamment une longue durée de vie, une bonne stabilité de fréquence et une distorsion optique thermique minimale, l'avantage le plus important étant une efficacité de pompage élevée due à la correspondance précise entre la longueur d'onde de la lumière de pompage et le spectre d'absorption du milieu actif.
La cavité de focalisation remplit deux fonctions : elle couple efficacement la source de la pompe avec le milieu actif et détermine la distribution de la densité de lumière de la pompe sur le milieu actif, affectant ainsi l'uniformité, la divergence et la distorsion optique du faisceau de sortie.
Étant donné que le milieu actif et la source de la pompe sont installés dans la cavité de focalisation, sa qualité a un impact direct sur l'efficacité et les performances de la pompe. Les cavités de focalisation à cylindre elliptique sont le plus souvent utilisées dans les petits lasers à semi-conducteurs.
Le résonateur optique est essentiellement constitué de deux miroirs hautement réfléchissants placés face à face aux extrémités du laser. L'un des miroirs est entièrement réfléchissant, tandis que l'autre l'est partiellement, ce qui permet à la majeure partie de la lumière d'être renvoyée, tandis qu'une petite quantité est transmise vers l'extérieur, produisant ainsi la lumière laser. La lumière renvoyée dans le milieu actif continue à induire de nouvelles émissions stimulées, amplifiant ainsi la lumière.
La lumière oscille d'avant en arrière dans le résonateur, provoquant une réaction en chaîne et une amplification de type avalanche, ce qui entraîne l'émission d'une lumière laser intense par l'extrémité du miroir partiellement réfléchissante.
Le résonateur optique fournit non seulement une rétroaction optique pour maintenir l'oscillation continue du laser et l'émission stimulée, mais il limite également la direction et la fréquence du faisceau lumineux oscillant pour garantir la monochromaticité et la directivité élevées du laser de sortie. Le résonateur optique le plus simple et le plus couramment utilisé pour les lasers à semi-conducteurs se compose de deux miroirs plats (ou sphériques) se faisant face.
Les systèmes de refroidissement et de filtrage sont des dispositifs auxiliaires indispensables pour un laser. Les lasers génèrent une chaleur importante lorsqu'ils fonctionnent, ce qui nécessite des mesures de refroidissement. Le système de refroidissement refroidit principalement le milieu actif du laser, la source de pompage et la cavité de focalisation afin d'assurer le fonctionnement normal du laser et de protéger l'équipement.
Les méthodes de refroidissement comprennent le liquide, le gaz et la conduction, le refroidissement par liquide étant le plus utilisé. En outre, pour obtenir un faisceau laser à haute monochromaticité, il est nécessaire de filtrer la sortie. Le système de filtrage peut éliminer la majeure partie de la lumière de la pompe et d'autres lumières parasites, ce qui permet d'obtenir un faisceau laser de sortie d'une grande qualité monochromatique.
Prenons l'exemple du laser à rubis pour expliquer le principe de fonctionnement d'un laser. Le milieu actif est un barreau de rubis. Le rubis est un cristal d'oxyde d'aluminium dopé avec une petite quantité d'ions chrome trivalents, soit un rapport de masse d'oxyde de chrome d'environ 0,05%. Comme les ions chrome absorbent la lumière verte et bleue de la lumière blanche, la gemme apparaît rose.
Le rubis utilisé par Maiman dans le premier laser inventé en 1960 était une tige cylindrique d'un diamètre de 0,8 cm et d'une longueur d'environ 8 cm. Ses extrémités sont une paire de miroirs plans parallèles, l'un recouvert d'un film entièrement réfléchissant et l'autre d'un taux de transmission de 10%, permettant au laser de passer à travers.
Dans le laser à rubis, une lampe au xénon à haute pression est utilisée comme "pompe" pour exciter les ions chrome à l'état excité E3. Electrons pompés vers E3 transition rapide (en environ 10-8 secondes) à E2 sans radiation. E2 est un niveau d'énergie métastable où la probabilité d'émission spontanée à E1 est très faible, avec une durée de vie allant jusqu'à 10-3 secondes, ce qui permet aux particules de rester sur place pendant une période prolongée.
Par conséquent, les particules s'accumulent à E2, réalisant une inversion de population entre les niveaux d'énergie E2 et E1. L'émission stimulée de lumière à partir de E2 à E1 est un laser rouge d'une longueur d'onde de 694,3 nm. Le laser à impulsions obtenu à partir de la lampe au xénon pulsée dure moins de 1 ms par impulsion lumineuse, l'énergie de chaque impulsion étant supérieure à 10 J et la puissance de chaque laser à impulsions pouvant dépasser 10 kW.
Le processus d'excitation des ions chrome et d'émission de la lumière laser implique trois niveaux d'énergie, d'où le nom de système à trois niveaux. Dans un système à trois niveaux, étant donné que le niveau d'énergie inférieur E1 est l'état fondamental et accumule généralement un grand nombre d'atomes, l'inversion de population nécessite une quantité substantielle d'excitation.
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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