Un guide complet sur les principes et les applications des lasers

I. Principes des lasers

Structure de base d'un laser :

1. Substance active

Le milieu actif du laser désigne le système de matériaux utilisé pour réaliser l'inversion de population et amplifier le rayonnement stimulé de la lumière. Il est parfois également appelé milieu à gain laser. Il peut s'agir de solides (cristaux, verre), de gaz (gaz atomique, gaz ionique, gaz moléculaire), de semi-conducteurs et de milieux liquides.

La principale exigence pour le milieu actif du laser est d'obtenir une inversion de population aussi importante que possible entre les niveaux d'énergie spécifiques de ses particules actives, et de maintenir cette inversion aussi efficacement que possible tout au long du processus d'émission du laser. À cette fin, le milieu actif doit présenter une structure de niveaux d'énergie et des caractéristiques de transition appropriées.

2. Source de pompage

Le système d'excitation (pompage) désigne le mécanisme ou le dispositif qui fournit une source d'énergie pour obtenir et maintenir l'inversion des particules dans le matériau de travail du laser. En fonction du matériau de travail et des conditions de fonctionnement du laser, différentes méthodes et différents dispositifs d'excitation peuvent être adoptés. Il existe quatre types courants :

①. Excitation optique (pompage optique). Il s'agit d'utiliser la lumière émise par une source lumineuse externe pour irradier le matériau de travail afin d'obtenir une inversion des particules. L'ensemble du dispositif d'excitation est généralement composé d'une source lumineuse à décharge (telle qu'une lampe au xénon ou au krypton) et d'un condensateur.

②. Excitation par décharge de gaz. Il s'agit d'utiliser le processus de décharge gazeuse qui se produit dans le matériau de travail gazeux pour obtenir l'inversion des particules. L'ensemble du dispositif d'excitation est généralement composé d'électrodes de décharge et d'une alimentation électrique de décharge.

③. Excitation chimique. Il s'agit d'utiliser le processus de réaction chimique qui se produit dans le matériau de travail pour réaliser l'inversion des particules. Cela nécessite généralement des réactifs chimiques appropriés et des mesures de déclenchement correspondantes.

④. Excitation de l'énergie nucléaire. Il s'agit d'utiliser les fragments de fission, les particules à haute énergie ou les radiations produites par une réaction de fission nucléaire à petite échelle pour exciter le matériau de travail et réaliser l'inversion des particules.

3. Cavité résonnante - Pour augmenter la distance de propagation des ondes lumineuses dans le milieu de gain

Un résonateur optique est généralement construit en combinant deux miroirs ayant des formes géométriques spécifiques et des caractéristiques de réflexion optique d'une manière particulière. Ses fonctions sont les suivantes :

①. Fournir une capacité de rétroaction optique, permettant aux photons d'émission stimulée d'aller et venir plusieurs fois dans la cavité pour former des oscillations soutenues cohérentes.

②. Limiter la direction et la fréquence des faisceaux lumineux oscillants à l'intérieur de la cavité, en veillant à ce que le laser de sortie ait une certaine directionnalité et monochromaticité.

La première fonction du résonateur est déterminée par la forme géométrique (le rayon de courbure de la surface réfléchissante) et la méthode de combinaison relative des deux miroirs qui composent généralement la cavité. La seconde fonction est déterminée par les différentes caractéristiques de perte sélective du type de résonateur donné pour la lumière avec différentes directions de déplacement et fréquences à l'intérieur de la cavité.

II. Classification des lasers

Par support de travail laser :

• Lasers à semi-conducteurs (lasers à fibres)
• Lasers à gaz
• Lasers à semi-conducteurs
• Lasers à colorants
• Lasers à électrons libres

Modes de fonctionnement du laser :

• En continu
• Impulsion : impulsion unique ; fréquence répétitive ; quasi-continue

Par composition chimique :

• Lasers atomiques
• Lasers moléculaires
• Lasers à ions
• Lasers à électrons libres
• Lasers à excimère

Méthodes de modulation laser :

• Fonctionnement libre
• Q-switching
• Verrouillage du mode

III. Lasers typiques

1. Lasers à l'état solide

Ils se divisent en deux catégories : le cristal et le verre, fabriqués par dopage d'ions activateurs dans le matériau de base.

Actuellement, plus de 200 systèmes dopés à la base ont réalisé une oscillation laser en tant que matériau de travail, mais les trois types les plus utilisés et les plus performants sont les suivants :

(1) Laser en verre au néodyme

Le néodyme, élément de terre rare, est dopé dans le verre comme matériau de travail, λ = 1,053 μm. Comme il est possible d'obtenir un grand volume et une bonne uniformité du verre au néodyme, il est possible d'en faire des dispositifs de grande taille, ce qui permet d'obtenir des lasers à haute énergie et à haute puissance. Un laser d'une puissance de sortie de 1014 W a été produit.

(2) Laser à rubis

• Matière première : Cristal de rubis
• Longueur d'onde de sortie : λ=694.3nm
• Largeur de ligne de sortie:Δλ=0.01~0.1nm
• Mode de fonctionnement : continu, pulsé
• Angle de divergence : θ ≈ 10^-3rad, généralement sortie multimode ; puissance de pompage >seuil 10~20%→ monomode

(3) Grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme (Nd:YAG)

• Matériau de travail : Cristal YAG dopé au néodyme, un élément de terre rare
• Longueur d'onde de sortie : λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• Mode de fonctionnement : Continu, impulsion à taux de répétition élevé

Grâce à la possibilité de doper avec une forte concentration de néodyme, le matériau de travail peut fournir une puissance laser plus élevée par unité de volume, et le laser peut être plus petit. Si un laser à semi-conducteur est utilisé comme source de pompage, le volume de l'appareil peut être encore plus petit.

(4) Laser accordable à onde continue en saphir-titane

3900S CW Tunable Ti:saphir Laser

Le laser IR à l'état solide, accordable et à haute performance

Longueurs d'onde de sortie comprises entre 675 et 1100 nm

Pompée par un laser Ar ou LD pompant un laser 532nm

TEM₀₀ la puissance de sortie peut atteindre 3,5 Wcw

Applications :

• Spectroscopie
• Laser à fibre recherche
• Recherche en télécommunications
• Études sur les semi-conducteurs

2. Lasers à gaz

• Matériau de travail : Divers gaz mélangés, bonne uniformité optique.
• Les lasers à gaz présentent une monochromaticité et une stabilité de faisceau supérieures à celles des lasers à l'état solide, des lasers à semi-conducteur et des lasers à liquide.
• Les lignes du spectre ont atteint des milliers de types (160nm~4mm).
• Mode de fonctionnement : Fonctionnement continu (dans la plupart des cas)

La plupart des lasers à gaz ont la faiblesse de ne pas avoir une puissance instantanée élevée.

Raison : En général, la pression du gaz est faible, ce qui entraîne une diminution du nombre de particules par unité de volume.

(1) Laser hélium-néon

Matière première : Mélange de gaz hélium et néon

Le laser est émis par des atomes de néon, tandis que l'hélium améliore les conditions de décharge du gaz, augmentant ainsi la puissance de sortie du laser.

Longueur d'onde de sortie : La longueur d'onde couramment utilisée est de 632,8 nm.

En fonction des conditions de fonctionnement choisies, le laser peut émettre une lumière proche de l'infrarouge, rouge, jaune et verte.

(λ=3.39μm ; λ=1.15μm)

(2) LE CO₂ Laser

Matière première : Un mélange de CO₂, He, N₂et les gaz Xe

Le laser est émis par le CO₂ tandis que les autres gaz contribuent à améliorer les conditions de travail du laser, en augmentant la puissance de sortie, la stabilité et la durée de vie du laser.

Longueur d'onde de sortie : λ=10.6μm

Le laser CO2 est le plus puissant laser à gazL'appareil est doté d'une puissance continue de 50 kW et d'une puissance d'impulsion de 1012 W.

(3) Laser à argon-ion

Laser à ions Argon/Krypton, Stabilite2017 Laser à ions Argon/Krypton

Longueur d'onde de sortie :

• λ =488nm；
• λ =514.5 nm ；

Puissance de sortie la plus élevée dans le domaine de la lumière visible

La puissance de sortie varie de quelques watts à quelques centaines de watts.

3. Laser hélium-cadmium

Utilisant la vapeur de cadmium métallique comme matériau d'émission, il présente principalement deux lignes spectrales continues, à savoir le rayonnement ultraviolet d'une longueur d'onde de 325 nm et la lumière bleue de 441,6 nm. La puissance de sortie typique est respectivement de 1~25mW et de 1~100mW. Ses principaux domaines d'application sont l'impression typographique, la numération des cellules sanguines, l'inspection des puces de circuits intégrés et les expériences de fluorescence induite par laser, etc.

(1). Laser à vapeur de cuivre

Généralement excitées par la collision d'électrons, ses deux principales lignes spectrales de travail sont la lumière verte à 510,5 nm et la lumière jaune à 578,2 nm. Avec une largeur d'impulsion typique de 10 à 50nS, la fréquence de répétition peut atteindre 100KHz. Au niveau actuel, l'énergie d'une seule impulsion est d'environ 1mJ. Cela signifie que la puissance moyenne peut atteindre jusqu'à 100W, tandis que la puissance de crête peut monter jusqu'à 100KW.

(2). Laser moléculaire à l'azote

L'excitation par décharge pulsée produit une lumière externe violette, avec une puissance de crête atteignant des dizaines de mégawatts, une largeur d'impulsion inférieure à 10nS, une fréquence de répétition allant de dizaines de Hz à des milliers de Hz. Il est principalement utilisé comme source de pompage pour les lasers à colorant et peut également être utilisé pour l'analyse spectrale, la détection, la médecine et la photochimie. Longueurs d'onde courantes : 337,1 nm, 357,7 nm.

3. Laser à semi-conducteur

Fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs de différents composants.

Laser avec la zone active et la zone de contrainte.

Caractéristiques : Taille et poids réduits, longue durée de vie, durée d'utilisation effective supérieure à 100 000 heures.

Gamme de longueurs d'onde de sortie : Ultraviolet, visible, infrarouge

Puissance de sortie : mW, W, kW.

Schéma de principe du laser à semi-conducteur DFB

Schéma de principe du laser à semi-conducteur DBR

Laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)

Lasers à cascade quantique (QCL)

Un nouveau type de dispositif semi-conducteur unipolaire basé sur le principe de la transition électronique entre les sous-bandes dans les puits quantiques semi-conducteurs et l'effet tunnel résonant assisté par phonon.

Couplé à la fibre (paquet en queue de cochon)

Dispositifs laser à semi-conducteurs

Laser à émission unique couplé à une fibre de type ProLite

IV. Applications des lasers

1. Applications industrielles

• Mesures de précision (distance, déplacement)
• Traitement au laser (découpe, soudage, perçage, gravure)
• Analyse spectrale

2. Applications médicales

• Ophtalmologie
• Chirurgie générale
• Dentisterie
• Dermatologie

3. Applications militaires

• Télémètre laser
• Reconnaissance par laser
• Communication par laser atmosphérique
• Guidage par laser
• Armes à laser

4. Applications quotidiennes

• Imprimantes laser
• Lecteurs optiques d'ordinateurs
• Lecteurs de codes-barres
• Anti-contrefaçon au laser
• Néons laser

5. Applications dans le domaine de la communication

• Communication par laser dans l'espace
• Communication par fibre optique

V. Mécanismes des dommages causés par les armes laser

1. Effet d'ablation - Haute température locale

2. Effet d'onde de choc

3. Effet de rayonnement - Champ électromagnétique intense

VI. Avantages des armes laser

1. Pas de calcul balistique nécessaire

2. Pas de recul

3. Facilité d'utilisation, agilité et polyvalence

4. Pas de pollution radioactive, rapport coût-efficacité élevé

Presque tous les lasers utilisés dans les communications optiques sont des lasers à semi-conducteurs, et seul un petit nombre de systèmes CATV utilisent des lasers à semi-conducteurs pompés par LD à 1310 nanomètres ou 1550 nanomètres.

Les lasers utilisés dans les communications sont principalement de deux types : les sources de lumière de pompe utilisées dans les amplificateurs à fibre optique et les sources de lumière de signal utilisées dans les émetteurs.

Les lasers utilisés dans les communications optiques en espace libre (FSO) sont disponibles en deux types : 850nm et 1550nm.

VII. Télémétrie laser

Utilisez la monochromaticité, la forte cohérence et la directivité des lasers pour réaliser des mesures et des inspections de haute précision, telles que la mesure de la longueur, de la distance, de la vitesse et des angles.

VIII. Soudage au laser

IX. Prototypage rapide au laser

X. Gravure au laser

XI. Fusion nucléaire par laser

XII. Traitement médical au laser

XIII. Communication par laser

La fréquence des ondes lumineuses étant supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des ondes radio, une fibre optique très fine peut transporter une quantité d'informations équivalente à celle que peut transporter un câble de cette épaisseur sur l'image.

XIV. Armes à laser

XV. Affichage laser