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Les lasers varient en taille, des lasers à diodes microscopiques (en haut) avec de nombreuses applications, aux lasers en verre au néodyme de la taille d'un terrain de football (en bas) utilisés pour la fusion par confinement inertiel, la recherche sur les armes nucléaires et d'autres expériences de physique à haute densité d'énergie.

UNE laser (un acronyme pour Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) est un dispositif électronique-optique qui émet un rayonnement cohérent. En tant que source de lumière, un laser peut avoir diverses propriétés, selon le but pour lequel il est conçu. Un laser typique émet de la lumière dans un faisceau étroit à faible divergence et avec une longueur d'onde bien définie (correspondant à une couleur particulière si le laser fonctionne dans le spectre visible). En revanche, une source de lumière telle qu'une ampoule à incandescence émet dans un grand angle solide et sur un large spectre de longueurs d'onde. Ces propriétés peuvent être résumées par le terme la cohérence.

Le premier laser fonctionnel a été présenté en mai 1960 par Theodore Maiman aux Hughes Research Laboratories. Récemment, les lasers sont devenus une industrie de plusieurs milliards de dollars. Leur utilisation la plus répandue est dans les dispositifs de stockage optique tels que les lecteurs de disques compacts et de DVD, dans lesquels le laser scanne la surface du disque. D'autres applications courantes des lasers sont les lecteurs de codes à barres et les pointeurs laser. Dans l'industrie, les lasers sont utilisés pour couper l'acier et d'autres métaux et pour inscrire des motifs (comme les lettres sur les claviers d'ordinateur). Les lasers sont également couramment utilisés dans divers domaines scientifiques, en particulier la spectroscopie, généralement en raison de leur longueur d'onde bien définie ou de leur courte durée d'impulsion dans le cas des lasers pulsés. Les lasers sont également utilisés pour des applications militaires et médicales.

Expérimentez avec un laser (US Military).

Aperçu du fonctionnement d'un laser

Un laser est constitué d'un "milieu de gain" à l'intérieur d'une cavité optique, avec un moyen pour fournir de l'énergie au milieu de gain. Le milieu de gain est un matériau (gaz, liquide, solide ou électrons libres) avec des propriétés optiques appropriées. Dans sa forme la plus simple, la cavité se compose de deux miroirs disposés de telle sorte que la lumière rebondit d'avant en arrière, passant à chaque fois à travers le milieu de gain. En règle générale, l'un des deux miroirs, le «coupleur de sortie», est partiellement transparent. Le faisceau laser de sortie est émis à travers ce miroir.

La lumière d'une longueur d'onde spécifique qui traverse le milieu de gain est amplifiée; les miroirs environnants garantissent que la majeure partie de la lumière passe à travers le milieu de gain. Une partie de la lumière qui se trouve entre les miroirs (c'est-à-dire se trouve dans la cavité) traverse le miroir partiellement transparent et apparaît comme un faisceau de lumière.

Le processus de fourniture de l'énergie requise pour l'amplification est appelé «pompage» et l'énergie est généralement fournie sous forme de courant électrique ou de lumière à une longueur d'onde différente. Dans ce dernier cas, la source lumineuse peut être une lampe flash ou un autre laser. La plupart des lasers pratiques contiennent des éléments supplémentaires qui affectent des propriétés telles que la longueur d'onde de la lumière émise et la forme du faisceau.

En termes de principes de la physique, les scientifiques considèrent le laser comme un processus combiné de mécanique quantique et thermodynamique.

Histoire du laser

En 1917, Albert Einstein dans son journal Zur Quantentheorie der Strahlung (Sur la théorie quantique du rayonnement), jeté les bases de l'invention du laser et de son prédécesseur, le maser, dans une redérivation révolutionnaire de la loi de rayonnement de Max Planck basée sur les concepts de coefficients de probabilité (appelés plus tard `` coefficients d'Einstein '') pour l'absorption, spontanée et stimulé l'émission.

En 1928, Rudolph W. Landenburg a confirmé l'existence d'une émission stimulée et d'une absorption négative. 1

En 1939, Valentin A. Fabrikant (URSS) a prédit l'utilisation de l'émission stimulée pour amplifier les ondes "courtes".2

En 1947, Willis E. Lamb et R. C. Retherford ont trouvé une émission stimulée apparente dans les spectres d'hydrogène et ont fait la première démonstration de l'émission stimulée.3

En 1950, Alfred Kastler (lauréat du prix Nobel de physique 1966 4) ont proposé la méthode de pompage optique, qui a été confirmée expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard.

Le maser

En 1953, Charles H. Townes et les étudiants diplômés James P. Gordon et Herbert J. Zeiger ont produit le premier amplificateur micro-ondes, un appareil fonctionnant sur des principes similaires au laser, mais amplifiant les micro-ondes plutôt que les rayons infrarouges ou visibles. Le maser de Townes était incapable de produire en continu. Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov de l'Union soviétique ont travaillé indépendamment sur l'oscillateur quantique et ont résolu le problème des systèmes de sortie continue en utilisant plus de deux niveaux d'énergie et ont produit le premier maser. Ces systèmes pourraient libérer des émissions stimulées sans tomber à l'état fondamental, maintenant ainsi une inversion de population. En 1955, Prokhorov et Basov ont suggéré un pompage optique du système à plusieurs niveaux comme méthode pour obtenir l'inversion de la population (une inversion de la population se produit lorsqu'un système (tel qu'un groupe d'atomes) existe dans un état avec plus de membres dans un état excité que dans une énergie inférieure états), qui devient plus tard l'une des principales méthodes de pompage laser.

Townes, Basov et Prokhorov ont partagé le prix Nobel de physique en 19645 "Pour des travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui ont conduit à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du laser maser."

Le laser

En 1957, Charles Hard Townes et Arthur Leonard Schawlow, alors aux Bell Labs, ont commencé une étude sérieuse du maser infrarouge. Au fur et à mesure que les idées ont été développées, les fréquences infrarouges ont été abandonnées en se concentrant sur la lumière visible à la place. Le concept était à l'origine connu sous le nom de «maser optique». Un an plus tard, Bell Labs a déposé une demande de brevet pour son maser optique proposé. Schawlow et Townes ont envoyé un manuscrit de leurs calculs théoriques à Physical Review, qui a publié leur article cette année-là (Volume 112, numéro 6).

Au même moment, Gordon Gould, étudiant diplômé de l'Université Columbia, préparait une thèse de doctorat sur les niveaux d'énergie du thallium excité. Gould et Townes se sont rencontrés et ont eu des conversations sur le sujet général des émissions de rayonnements. Par la suite, Gould a pris des notes sur ses idées pour un «laser» en novembre 1957, notamment en suggérant d'utiliser un résonateur ouvert, qui est devenu un ingrédient important des futurs lasers.

En 1958, Prokhorov a proposé indépendamment l'utilisation d'un résonateur ouvert, la première apparition publiée de cette idée. Schawlow et Townes ont également opté pour une conception de résonateur ouvert, ignorant apparemment à la fois les travaux publiés de Prokhorov et les travaux non publiés de Gould.

Le terme "laser" a été présenté pour la première fois au public dans le document de conférence de Gould de 1959 "Le LASER, Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement" Gould voulait que "-aser" soit un suffixe, à utiliser avec un préfixe approprié pour les spectres de la lumière émise par l'appareil (laser à rayons X = xaser, laser ultraviolet = uvaser, etc.). Aucun des autres termes n'est devenu populaire, bien que "raser" ait été utilisé pendant une courte période pour décrire les dispositifs émettant des radiofréquences.

Les notes de Gould comprenaient des applications possibles pour un laser, telles que la spectrométrie, l'interférométrie, le radar et la fusion nucléaire. Il a continué à travailler sur son idée et a déposé une demande de brevet en avril 1959. Le US Patent Office a rejeté sa demande et a accordé un brevet à Bell Labs en 1960. Cela a déclenché une bataille juridique qui a duré 28 ans, avec un prestige scientifique et beaucoup d'argent en jeu. . Gould a remporté son premier brevet mineur en 1977, mais ce n'est qu'en 1987 qu'il a pu revendiquer sa première victoire significative en matière de brevets lorsqu'un juge fédéral a ordonné au gouvernement de lui délivrer des brevets pour le laser à pompage optique et le laser à décharge.

Le premier laser de travail a été fabriqué par Theodore H. Maiman en 19606 aux Hughes Research Laboratories de Malibu, en Californie, battant plusieurs équipes de recherche, dont celles de Townes à Columbia University, Arthur L. Schawlow aux Bell Labs,7 et Gould dans une société appelée TRG (Technical Research Group). Maiman a utilisé un cristal de rubis synthétique pompé par lampe flash à l'état solide pour produire une lumière laser rouge à une longueur d'onde de 694 nanomètres. Le laser de Maiman, cependant, n'était capable de fonctionner par impulsions qu'en raison de son schéma de pompage à trois niveaux d'énergie.

Plus tard en 1960, le physicien iranien Ali Javan, en collaboration avec William Bennet et Donald Herriot, a fabriqué le premier laser à gaz utilisant de l'hélium et du néon. Javan a ensuite reçu le prix Albert Einstein en 1993.

Le concept de la diode laser à semi-conducteur a été proposé par Basov et Javan. La première diode laser a été démontré par Robert N. Hall en 1962. Le dispositif de Hall était fait d'arséniure de gallium et émis à 850 nm dans la région proche infrarouge du spectre. Le premier laser à semi-conducteur à émission visible a été démontré plus tard la même année par Nick Holonyak, Jr.Comme avec les premiers lasers à gaz, ces premiers lasers à semi-conducteur ne pouvaient être utilisés qu'en fonctionnement pulsé, et en effet uniquement lorsqu'ils étaient refroidis à des températures d'azote liquide (77 K ).

En 1970, Zhores Alferov en Union soviétique et Izuo Hayashi et Morton Panish des Bell Telephone Laboratories ont développé indépendamment des diodes laser fonctionnant en continu à température ambiante, en utilisant la structure à hétérojonction.

Les usages

Lorsque les lasers ont été inventés en 1960, ils étaient appelés «une solution à la recherche d'un problème». Depuis lors, ils sont devenus omniprésents, trouvant leur utilité dans des milliers d'applications très variées dans toutes les couches de la société moderne, y compris l'électronique grand public, les technologies de l'information, la science, la médecine, l'industrie, l'application des lois, le divertissement et l'armée.

La première application de lasers visibles dans la vie quotidienne de la population générale a été le scanner de codes à barres de supermarché, introduit en 1974. Le lecteur de disque laser, introduit en 1978, a été le premier produit de consommation à succès à inclure un laser, mais le lecteur de disque compact était le premier appareil équipé d'un laser à devenir vraiment courant chez les consommateurs, à partir de 1982, suivi peu après par des imprimantes laser.

Certaines des autres applications incluent le médical (chirurgie sans saignement, cicatrisation au laser, traitement de survie, traitement des calculs rénaux, traitement des yeux, dentisterie), industriel (coupe, soudage, traitement thermique des matériaux), défense (champ de bataille, anti-missile, énergie dirigée) Arme (DEW), Contre-mesures électro-optiques (EOCM)), Outil de recherche (Spectroscopie, Ablation laser, Recuit laser, Diffusion laser, Interféromètres laser, LIDAR), Développement de produits / Commercial (Imprimantes laser, Disque compact, Scanners de codes-barres, Pointeurs laser) , Hologrammes).

Exemples d'utilisation par puissance de sortie typique

Différentes utilisations nécessitent des lasers avec différentes puissances de sortie. De nombreux lasers sont conçus pour une sortie de crête plus élevée avec une impulsion extrêmement courte, ce qui nécessite une technologie différente onde continue (sortie constante) des lasers, comme ils sont utilisés dans la communication ou la découpe. La puissance de sortie est toujours inférieure à la puissance d'entrée nécessaire pour générer le faisceau.

La puissance de crête requise pour certaines utilisations:

  • 5 mW - lecteur de CD-ROM
  • 5-10 mW - lecteur DVD
  • 100 mW - lecteur CD-R
  • 250 mW - puissance de sortie de la diode laser rouge Sony SLD253VL, utilisée dans le graveur CD-R 48-52 vitesses grand public.8
  • Laser vert 1 W dans le développement actuel du prototype de disque polyvalent holographique.
  • 100 à 3000 W (puissance de crête 1,5 kW) - CO scellé typique2 lasers utilisés dans la découpe laser industrielle.
  • 1 kW - Puissance de sortie attendue grâce à "une seule barre laser à diode de 1 cm"9
  • 700 térawatts (TW) - La National Ignition Facility travaille sur un système qui, une fois terminé, contiendra un système laser de 192 faisceaux de 1,8 mégajoule adjacent à une chambre cible de 10 mètres de diamètre.10 Le système devrait être terminé en avril 2009.

La physique

Composants principaux:
1. Milieu laser actif
2. Énergie de pompage laser
3. Réflecteur haut
4. Coupleur de sortie
5. Faisceau laser

Le rayon lumineux au milieu est une décharge électrique produisant de la lumière de la même manière qu'une lumière au néon. C'est le milieu de gain à travers lequel passe le laser, ne pas le faisceau laser lui-même, qui y est visible. Le faisceau laser traverse l'air et marque un point rouge sur l'écran à droite.

Spectre d'un laser à hélium néon montrant la très grande pureté spectrale intrinsèque à presque tous les lasers. Comparez avec l'émittance spectrale relativement large d'une diode électroluminescente.

Un laser est composé d'un milieu laser actif, ou gagner du milieu, et une cavité optique résonnante. Le milieu de gain transfère l'énergie externe dans le faisceau laser. C'est un matériau de pureté, de taille, de concentration et de forme contrôlées, qui amplifie le faisceau par le processus mécanique quantique d'émission stimulée, prédit par Albert Einstein pendant qu'il étudiait l'effet photoélectrique. Le milieu de gain est excité, ou pompé, par une source d'énergie externe. Des exemples de sources de pompe comprennent l'électricité et la lumière, par exemple à partir d'une lampe flash ou d'un autre laser. L'énergie de la pompe est absorbée par le milieu laser, plaçant certaines de ses particules dans des états quantiques de haute énergie ("excités"). Les particules peuvent interagir avec la lumière en absorbant des photons ou en émettant des photons. L'émission peut être spontanée ou stimulée. Dans ce dernier cas, le photon est émis dans le même sens que la lumière qui passe. Lorsque le nombre de particules dans un état excité dépasse le nombre de particules dans un état à faible énergie, l'inversion de population est obtenue et la quantité d'émission spontanée due à la lumière qui la traverse est plus grande que la quantité d'absorption. Par conséquent, la lumière est amplifiée. À proprement parler, ce sont les ingrédients essentiels d'un laser. Cependant, généralement le terme laser est utilisé pour les appareils où la lumière qui est amplifiée est produite sous forme d'émission spontanée à partir du même milieu de gain que là où l'amplification a lieu. Les appareils où la lumière d'une source externe est amplifiée sont normalement appelés amplificateurs optiques.

La lumière générée par l'émission stimulée est très similaire au signal d'entrée en termes de longueur d'onde, de phase et de polarisation. Cela confère à la lumière laser sa cohérence caractéristique et lui permet de maintenir la polarisation uniforme et souvent la monochromaticité établie par la conception de la cavité optique.

La cavité optique, un type de résonateur à cavité, contient un faisceau de lumière cohérent entre les surfaces réfléchissantes de sorte que la lumière traverse le milieu de gain plus d'une fois avant d'être émise par l'ouverture de sortie ou perdue par diffraction ou absorption. Lorsque la lumière circule à travers la cavité, en passant par le milieu de gain, si le gain (amplification) dans le milieu est plus fort que les pertes du résonateur, la puissance de la lumière en circulation peut augmenter de façon exponentielle. Mais chaque événement d'émission stimulé renvoie une particule de son état excité à l'état fondamental, ce qui réduit la capacité du milieu de gain pour une amplification supplémentaire. Lorsque cet effet devient fort, le gain est dit être saturé. L'équilibre de la puissance de la pompe contre la saturation de gain et les pertes de cavité produit une valeur d'équilibre de la puissance du laser à l'intérieur de la cavité; cet équilibre détermine le point de fonctionnement du laser. Si la puissance de pompe choisie est trop petite, le gain n'est pas suffisant pour surmonter les pertes du résonateur et le laser n'émettra que de très faibles puissances lumineuses. La puissance de pompe minimale nécessaire pour commencer l'action du laser est appelée seuil laser. Le milieu de gain amplifie tous les photons qui le traversent, quelle que soit la direction; mais seuls les photons alignés avec la cavité parviennent à passer plus d'une fois à travers le milieu et ont donc une amplification importante.

Certains types de lasers, tels que lasers à colorant et lasers à semi-conducteurs vibroniques peut produire de la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde; cette propriété les rend aptes à générer des impulsions lumineuses extrêmement courtes, de l'ordre de quelques femtosecondes (10-15 s).

Bien que le phénomène laser ait été découvert à l'aide de la physique quantique, il n'est pas essentiellement plus mécanique quantique que les autres sources de lumière. Le fonctionnement d'un laser à électrons libres peut être expliqué sans référence à la mécanique quantique.

Il est entendu que le mot lumière dans l'acronyme Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement est généralement utilisé dans le sens large, comme photons de tout énergie; il ne se limite pas aux photons dans le spectre visible. Il existe donc lasers infrarouges, lasers ultraviolets, Lasers à rayons X, etc. Par exemple, une source d'atomes dans un état cohérent peut être appelée un laser à atomes.

Parce que l'équivalent micro-ondes du laser, le maser, a été développé en premier, les appareils émettant des micro-ondes et des radiofréquences sont généralement appelés masers. Dans les premières publications, en particulier des chercheurs des laboratoires Bell Telephone, le laser était souvent appelé le maser optique. Cette utilisation est depuis devenue rare et, depuis 1998, même les laboratoires Bell utilisent le terme laser.11

Innovations récentes

Graphique montrant l'historique de l'intensité maximale des impulsions laser au cours des 40 dernières années.

Depuis la première période de l'histoire du laser, la recherche sur le laser a produit une variété de types de laser améliorés et spécialisés, optimisés pour différents objectifs de performance, notamment:

  • nouvelles bandes de longueurs d'onde
  • puissance de sortie moyenne maximale
  • puissance de sortie maximale
  • durée d'impulsion de sortie minimale
  • efficacité énergétique maximale
  • charge maximale
  • tir maximum

et cette recherche se poursuit à ce jour.

Laser sans maintenir le milieu excité dans une inversion de population, a été découvert en 1992 dans le gaz de sodium et de nouveau en 1995 dans le rubidium par diverses équipes internationales. Cela a été accompli en utilisant un maser externe pour induire une "transparence optique" dans le milieu en introduisant et en interférant de manière destructrice les transitions d'électrons au sol entre deux chemins, de sorte que la probabilité pour les électrons au sol d'absorber toute énergie a été annulée.

En 1985, au Laboratoire d'énergétique laser de l'Université de Rochester, une percée dans la création d'impulsions laser à ultra-brèves impulsions et très haute intensité (térawatts) est devenue disponible en utilisant une technique appelée amplification d'impulsions gazeuses, ou CPA, découverte par Gérard Mourou. Ces impulsions de haute intensité peuvent produire une propagation des filaments dans l'atmosphère.

Types et principes de fonctionnement

De nombreux types de lasers différents ont été générés et sont utiles pour une grande variété d'applications. Certains d'entre eux sont présentés ci-dessous.

Sortie spectrale de plusieurs types de lasers.

Lasers à gaz

Des lasers à gaz utilisant de nombreux gaz ont été construits et utilisés à de nombreuses fins. Ils sont l'un des types de laser les plus anciens. Le laser hélium-néon (HeNe) émet à une variété de longueurs d'onde et les unités fonctionnant à 633 nm sont très courantes dans l'éducation en raison de son faible coût. Les lasers au dioxyde de carbone peuvent émettre des centaines de kilowatts à 9,6 µm et 10,6 µm et sont souvent utilisés dans l'industrie pour la découpe et le soudage. L'efficacité d'un laser CO2 est supérieure à 10%. Les lasers à argon ionique émettent 458 nm, 488 nm ou 514,5 nm. Les lasers au monoxyde de carbone doivent être refroidis mais peuvent produire jusqu'à 500 kW.

Un azote transverse edécharge lectrique dans le gaz uneLe laser à pression atmosphérique (TEA) est un laser à gaz peu coûteux produisant une lumière UV à 337,1 nm.

Les lasers à ions métalliques sont des lasers à gaz qui génèrent des longueurs d'onde ultraviolettes profondes. L'hélium-argent (HeAg) 224 nm et le néon-cuivre (NeCu) 248 nm en sont deux exemples. Ces lasers ont des largeurs de ligne d'oscillation particulièrement étroites inférieures à 3 GHz (0,5 picomètre),12 ce qui en fait des candidats pour une utilisation dans la spectroscopie Raman à suppression de fluorescence.

Lasers chimiques

Les lasers chimiques sont alimentés par une réaction chimique et peuvent atteindre des puissances élevées en fonctionnement continu. Par exemple, dans le laser au fluorure d'hydrogène (2700-2900 nm) et le laser au fluorure de deutérium (3800 nm), la réaction est la combinaison d'hydrogène ou de deutérium avec des produits de combustion de l'éthylène dans du trifluorure d'azote.

Lasers à excimère

Les lasers Excimer sont alimentés par une réaction chimique impliquant un dimère excité, ou excimer, qui est une molécule dimère ou hétérodimère de courte durée de vie formée de deux espèces (atomes), dont au moins une est dans un état électronique excité. Ils produisent généralement de la lumière ultraviolette et sont utilisés en photolithographie semi-conductrice et en chirurgie oculaire au LASIK. Les molécules d'excimère couramment utilisées comprennent F2 (fluor, émettant à 157 nm), et des composés de gaz noble (ArF (193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) et XeF (351 nm)).

Lasers à semi-conducteurs

Un FASOR 50W, basé sur un laser Nd: YAG, utilisé dans la gamme optique Starfire

Les matériaux laser à l'état solide sont généralement fabriqués en dopant un hôte solide cristallin avec des ions qui fournissent les états d'énergie requis. Par exemple, le premier laser fonctionnel était un laser à rubis, fabriqué à partir de rubis (saphir dopé au chrome).

Le néodyme est un dopant courant dans divers cristaux laser à l'état solide, y compris l'orthovanadate d'yttrium (Nd: YVO4), le fluorure de lithium d'yttrium (Nd: YLF) et le grenat d'aluminium d'yttrium (Nd: YAG). Tous ces lasers peuvent produire des puissances élevées dans le spectre infrarouge à 1064 nm. Ils sont utilisés pour la découpe, le soudage et le marquage des métaux et autres matériaux, ainsi que pour la spectroscopie et le pompage des lasers à colorant. Ces lasers sont également couramment doublés, triplés ou quadruplés en fréquence pour produire une lumière de 532 nm (vert, visible), 355 nm (UV) et 266 nm (UV) lorsque ces longueurs d'onde sont nécessaires.

L'ytterbium, l'holmium, le thulium et l'erbium sont d'autres dopants courants dans les lasers à l'état solide. L'ytterbium est utilisé dans des cristaux tels que Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF2, fonctionnant généralement autour de 1020-1050 nm. Ils sont potentiellement très efficaces et très puissants en raison d'un petit défaut quantique. Des puissances extrêmement élevées en impulsions ultra-courtes peuvent être obtenues avec Yb: YAG. Les cristaux YAG dopés à l'holmium émettent à 2097 nm et forment un laser efficace fonctionnant à des longueurs d'onde infrarouges fortement absorbées par les tissus aquifères. Le Ho-YAG fonctionne généralement en mode pulsé et passe à travers des dispositifs chirurgicaux à fibres optiques pour refaire surface des articulations, éliminer la pourriture des dents, vaporiser les cancers et pulvériser les calculs rénaux et biliaires.

Le saphir dopé au titane (Ti: saphir) produit un laser infrarouge hautement accordable, couramment utilisé pour la spectroscopie ainsi que le laser à impulsions ultracourtes le plus courant.

Lasers hébergés sur fibre

Les lasers à l'état solide comprennent également des lasers hébergés en verre ou en fibre optique, par exemple, avec des ions erbium ou ytterbium comme espèces actives. Ceux-ci permettent des régions de gain extrêmement longues et peuvent prendre en charge des puissances de sortie très élevées car le rapport élevé de la surface au volume de la fibre permet un refroidissement efficace. De plus, les propriétés de guidage des ondes de la fibre ont tendance à réduire la distorsion thermique du faisceau. Très souvent, la fibre est conçue comme une fibre de verre à double gaine. Ce type de fibre se compose d'un noyau de fibre, d'un revêtement intérieur et d'un revêtement extérieur. L'indice des trois couches concentriques est choisi de telle sorte que le cœur de fibre agit comme une fibre monomode pour l'émission laser tandis que la gaine extérieure agit comme un cœur hautement multimode pour le laser de pompe. Cela permet à la pompe de propager une grande quantité d'énergie dans et à travers la région centrale interne active, tout en ayant une ouverture numérique élevée (NA) pour avoir des conditions de lancement faciles. Les lasers à fibre ont une limite fondamentale en ce que l'intensité de la lumière dans la fibre ne peut pas être si élevée que les non-linéarités optiques induites par la force du champ électrique local peuvent devenir dominantes et empêcher le fonctionnement du laser et / ou conduire à la destruction matérielle de la fibre.

Lasers à semi-conducteurs

Les diodes laser commerciales émettent à des longueurs d'onde de 375 nm à 1800 nm, et des longueurs d'onde de plus de 3 µm ont été démontrées. Des diodes laser de faible puissance sont utilisées dans les imprimantes laser et les lecteurs CD / DVD. Des diodes laser plus puissantes sont fréquemment utilisées pour pomper optiquement d'autres lasers avec un rendement élevé. Les diodes laser industrielles les plus puissantes, avec une puissance allant jusqu'à 10 kW, sont utilisées dans l'industrie pour la découpe et le soudage. Les lasers semi-conducteurs à cavité externe ont un milieu actif semi-conducteur dans une plus grande cavité. Ces appareils peuvent générer des sorties à haute puissance avec une bonne qualité de faisceau, un rayonnement à largeur de ligne étroite réglable en longueur d'onde ou des impulsions laser ultra-courtes.

Les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) sont des lasers à semi-conducteur dont la direction d'émission est perpendiculaire à la surface de la tranche. Les dispositifs VCSEL ont généralement un faisceau de sortie plus circulaire que les diodes laser conventionnelles et pourraient potentiellement être beaucoup moins chers à fabriquer. En 2005, seuls les VCSEL à 850 nm étaient largement disponibles, les VCSEL à 1300 nm commençant à être commercialisés,13 et les appareils à 1550 nm, un domaine de recherche. Les VECSEL sont des VCSEL à cavité externe. Les lasers à cascade quantique sont des lasers à semi-conducteurs qui ont une transition active entre l'énergie sous-bandes d'un électron dans une structure contenant plusieurs puits quantiques.

Le développement d'un laser au silicium est important dans le domaine de l'informatique optique, car cela signifie que si le silicium, l'ingrédient principal des puces informatiques, était capable de produire des lasers, il permettrait à la lumière d'être manipulée comme les électrons se trouvent dans les circuits intégrés normaux. . Ainsi, les photons remplaceraient les électrons dans les circuits, ce qui augmente considérablement la vitesse de l'ordinateur. Malheureusement, le silicium est un matériau laser difficile à traiter, car il possède certaines propriétés qui bloquent le laser. Cependant, récemment, des équipes ont produit des lasers au silicium grâce à des méthodes telles que la fabrication du matériau laser à partir de silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs, tels que le phosphure d'indium (III) ou l'arséniure de gallium (III), matériaux qui permettent de produire une lumière cohérente à partir de silicium. Ceux-ci sont appelés laser hybride au silicium. Un autre type est un laser Raman, qui tire parti de la diffusion Raman pour produire un laser à partir de matériaux tels que le silicium.

Lasers à colorant

Les lasers à colorant utilisent un colorant organique comme moyen de gain. Le large spectre de gain des colorants disponibles permet à ces lasers d'être très accordables, ou de produire des impulsions de très courte durée (de l'ordre de quelques femtosecondes).

Lasers à électrons libres

Les lasers à électrons libres, ou FEL, génèrent un rayonnement cohérent à haute puissance, largement accordable, dont la longueur d'onde va actuellement des micro-ondes aux rayonnements térahertz et infrarouges, au spectre visible, aux rayons X doux. Ils ont la gamme de fréquences la plus large de tous les types de lasers. Alors que les faisceaux FEL partagent les mêmes caractéristiques optiques que d'autres lasers, tels que le rayonnement cohérent, le fonctionnement FEL est assez différent. Contrairement aux lasers à gaz, liquides ou à l'état solide, qui reposent sur des états atomiques ou moléculaires liés, les FEL utilisent un faisceau d'électrons relativiste comme milieu laser, d'où le terme électron libre.

Lasers à onde continue et à impulsions

Un laser peut être construit pour émettre un faisceau continu ou un train d'impulsions courtes. Cela fait des différences fondamentales dans la construction, les supports laser utilisables et les applications.

Fonctionnement en onde continue

dans le onde continue (CW) mode de fonctionnement, la sortie d'un laser est relativement cohérente par rapport au temps. L'inversion de population requise pour le laser est continuellement maintenue par une source de pompage stable.

Fonctionnement pulsé

Dans le mode de fonctionnement pulsé, la sortie d'un laser varie en fonction du temps, prenant généralement la forme d'alternance de périodes "marche" et "arrêt". Dans de nombreuses applications, on vise à déposer autant d'énergie que possible à un endroit donné en un minimum de temps. Dans l'ablation au laser par exemple, un petit volume de matériau à la surface d'une pièce peut s'évaporer s'il obtient l'énergie nécessaire pour la chauffer suffisamment longtemps en très peu de temps. Si, cependant, la même énergie est répartie sur une période plus longue, la chaleur peut avoir le temps de se disperser dans la majeure partie de la pièce et moins de matière s'évapore. Il existe un certain nombre de méthodes pour y parvenir.

Modelocking

Un laser modelocked émet des impulsions extrêmement courtes de l'ordre de dizaines de picosecondes jusqu'à moins de 10 femtosecondes. Ces impulsions sont généralement séparées par le temps nécessaire à une impulsion pour effectuer un aller-retour dans la cavité du résonateur. En raison de la limite de Fourier (également connue sous le nom d'incertitude temps-énergie), une impulsion d'une longueur temporelle aussi courte a un spectre qui contient une large gamme de longueurs d'onde. Pour cette raison, le milieu laser doit avoir un profil de gain suffisamment large pour tous les amplifier. Un exemple d'un matériau approprié est le saphir dopé au titane et cultivé artificiellement (Ti: saphir).

Le laser modelocked est un outil très polyvalent pour la recherche de processus se déroulant à des échelles de temps extrêmement rapides (physique femtoseconde et chimie femtoseconde, également appelée science ultrarapide), pour maximiser l'effet de la non-linéarité dans les matériaux optiques (par exemple, dans la génération de la deuxième harmonique, la baisse paramétrique -conversion, oscillateurs paramétriques optiques et similaires), et dans les applications d'ablation. Encore une fois, en raison des délais courts impliqués, ces lasers peuvent atteindre des puissances de crête extrêmement élevées.

Pompage pulsé

Une autre méthode pour obtenir un fonctionnement laser pulsé consiste à pomper le matériau laser avec une source qui est elle-même pulsée, soit par une charge électronique dans le cas des lampes flash, soit un autre laser déjà pulsé. Le pompage pulsé était historiquement utilisé avec des lasers à colorant où la durée de vie de la population inversée d'une molécule de colorant était si courte qu'une pompe rapide à haute énergie était nécessaire. Le moyen de surmonter ce problème était de charger de grands condensateurs qui sont ensuite commutés pour se décharger à travers des lampes flash, produisant un flash de pompe à large spectre. Le pompage pulsé est également requis pour les lasers qui perturbent tellement le milieu de gain pendant le processus laser que le laser doit cesser pendant une courte période. Ces lasers, tels que le laser à excimère et le laser à vapeur de cuivre, ne peuvent jamais fonctionner onde continue mode.

Sécurité laser

Symbole d'avertissement pour les lasers

Même le premier laser a été reconnu comme étant potentiellement dangereux. Theodore Maiman a caractérisé le premier laser comme un "Gillette"; car il pourrait brûler à travers une lame de rasoir Gillette. Aujourd'hui, il est admis que même les lasers de faible puissance avec seulement quelques milliwatts de puissance de sortie peuvent être dangereux pour la vue humaine.

Aux longueurs d'onde que la cornée et le cristallin peuvent bien focaliser, la cohérence et la faible divergence de la lumière laser signifie qu'elle peut être focalisée par l'œil dans un point extrêmement petit sur la rétine, entraînant une brûlure localisée et des dommages permanents en quelques secondes ou même moins temps. Les lasers sont classés en classes de sécurité numérotées de I (intrinsèquement sûres) à IV (même la lumière diffusée peut provoquer des lésions oculaires et / ou cutanées). Les produits laser disponibles pour les consommateurs, tels que les lecteurs CD et les pointeurs laser, sont généralement de classe I, II ou III. Certains lasers infrarouges avec des longueurs d'onde au-delà d'environ 1,4 micromètre sont souvent appelés «sans danger pour les yeux». En effet, les vibrations moléculaires intrinsèques des molécules d'eau absorbent très fortement la lumière dans cette partie du spectre, et donc un faisceau laser à ces longueurs d'onde est atténué si complètement lorsqu'il traverse la cornée de l'œil qu'il ne reste plus de lumière à focaliser sur le cristallin. sur la rétine. Le labe

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