Types de laser 101 : votre guide des classifications des lasers

Les lasers peuvent être classés de différentes manières, généralement en fonction du milieu actif, de la méthode d'excitation, du mode de sortie et de la gamme de longueurs d'onde.

La classification par milieu actif divise les lasers en lasers à l'état solide, lasers à gaz, lasers à liquide et lasers à semi-conducteur.

En outre, les lasers peuvent être classés en fonction de leur sortie, soit en ondes continues, soit en ondes pulsées.

(1) Lasers à semi-conducteurs

Les lasers à l'état solide utilisent des matériaux tels que le rubis, le verre au néodyme et le grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG), dans lesquels une petite quantité d'ions est uniformément dopée dans le cristal ou le verre hôte. Les ions dopés, appelés ions actifs, sont responsables des émissions laser. Les ions de métaux de transition comme le chrome (Cr³⁺) et des ions métalliques de terres rares tels que le néodyme (Nd³⁺) et l'erbium peuvent servir d'ions actifs.

Ces lasers sont généralement excités par la lumière, avec des sources de lumière pulsée courantes telles que les lampes flash au xénon, et des sources continues telles que les lampes à arc au krypton, les lampes au tungstène à l'iode et les lampes au potassium et au rubidium. Dans les petits lasers à longue durée de vie, des diodes électroluminescentes ou la lumière solaire peuvent être utilisées comme source d'excitation. Certains nouveaux lasers à semi-conducteurs sont également excités par d'autres lasers.

Les lasers à semi-conducteurs se distinguent par leur taille compacte, leur robustesse, leur facilité d'utilisation et leur puissance de sortie élevée. Leur puissance continue peut dépasser 100 W, tandis que la puissance de crête des impulsions peut atteindre jusqu'à 10 %.⁹W. Cependant, en raison de la préparation complexe du milieu actif, ils ont tendance à être coûteux.

(2) Lasers à gaz

Les lasers à gaz utilisent des gaz ou des vapeurs métalliques comme milieu actif, généralement contenus dans un tube à décharge pour générer des ions actifs. Leurs principales méthodes d'excitation sont électriques, aérodynamiques, photoniques et chimiques, la méthode électrique étant la plus courante.

Dans des conditions de décharge appropriées, les particules de gaz sont sélectivement excitées à un niveau d'énergie plus élevé, créant une inversion du nombre de particules entre ce niveau et un niveau d'énergie plus bas, ce qui conduit à des transitions d'émission stimulées. Les lasers à gaz peuvent être atomiques, ioniques, moléculaires ou excimères.

Les lasers à gaz moléculaire utilisent souvent du CO₂ comme support, émettant principalement des longueurs d'onde infrarouges qui, en raison de leur effet thermique élevé, sont couramment utilisées dans le domaine de la santé. découpe au laserLes lasers à excimères sont utilisés dans les domaines de la médecine, des applications médicales et du traitement mécanique, ainsi que pour la télémétrie et la communication. Les lasers à excimères émettent dans le domaine de l'ultraviolet et sont utilisés dans l'usinage fin, la photolithographie et la médecine.

Les lasers à gaz se caractérisent par leur simplicité de construction, leur faible coût, leur commodité, la bonne qualité de leur faisceau et leur capacité à fonctionner de manière continue et stable pendant de longues périodes. Il s'agit du type de laser le plus diversifié et le plus largement utilisé.

(3) Lasers à liquide

Les lasers liquides, également connus sous le nom de lasers à colorants, utilisent des colorants organiques comme milieu actif dissous dans des solvants tels que l'éthanol, l'acétone ou l'eau, mais ils peuvent également fonctionner sous forme de vapeur. Les colorants organiques courants comprennent la rhodamine, la coumarine et la phtalocyanine, qui permettent de générer différentes longueurs d'onde laser dans le domaine visible. Les lasers liquides sont souvent pompés optiquement, soit par des lasers, soit par des lampes flash.

Leur couverture de longueur d'onde va de l'ultraviolet à l'infrarouge (321nm à 1,168μm), qui peut être étendue dans la gamme de l'ultraviolet sous vide en utilisant des techniques de doublement de fréquence. Les avantages des lasers liquides incluent une sortie continue accordable sur une large gamme et sont principalement utilisés dans la recherche scientifique et la médecine, comme la spectroscopie laser, la photochimie, la séparation des isotopes et la photobiologie.

(4) Lasers à semi-conducteurs

Les lasers à semi-conducteurs, également appelés diodes laser, utilisent des matériaux semi-conducteurs comme support actif. En raison de différences structurelles, le processus de génération de laser est tout à fait unique pour les différents types de matériaux semi-conducteurs. Les matériaux actifs les plus courants sont l'arséniure de gallium (GaAs), le sulfure de cadmium (CdS), le phosphure d'indium (InP) et le sulfure de zinc (ZnS).

Il existe trois méthodes d'excitation principales : l'injection électrique, l'excitation par faisceau d'électrons et le pompage optique. Les lasers à semi-conducteurs sont classés en trois catégories : homojonction, hétérojonction simple et double hétérojonction. Les lasers à homojonction et à hétérojonction simple fonctionnent généralement sous forme d'impulsions à température ambiante, tandis que les lasers à double hétérojonction peuvent fonctionner en continu à température ambiante.

Les lasers à semi-conducteurs sont compacts, ont une longue durée de vie et peuvent être facilement pompés par une simple injection de courant. Leur tension et leur courant de fonctionnement sont compatibles avec les circuits intégrés, ce qui permet une intégration monolithique. En outre, ils peuvent être modulés directement à des fréquences allant jusqu'à 50-100 GHz pour une sortie laser à grande vitesse.

Grâce à ces avantages, les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés dans les communications laser, le stockage optique, les gyroscopes optiques, l'impression laser, la télémétrie et les applications radar.

(5) Lasers à fibre

Lasers à fibre sont un type de laser à semi-conducteurs dont le milieu actif est une fibre dopée aux terres rares. La source de pompage d'un laser à fibre consiste en un ou plusieurs réseaux de diodes laser à haute puissance. La lumière de pompe émise est couplée à la fibre dopée aux terres rares par l'intermédiaire d'une structure de pompage spécialisée. Les photons à la longueur d'onde de la pompe sont absorbés par le milieu dopé de la fibre, créant une inversion de population qui conduit à une émission stimulée.

Les ondes lumineuses émises sont réfléchies par les miroirs du résonateur et oscillent pour produire une sortie laser. Les lasers à fibre ont un rendement de couplage élevé, peuvent facilement atteindre une densité de puissance élevée et ont une excellente dissipation de la chaleur, ce qui élimine le besoin de systèmes de refroidissement encombrants. Ils présentent un rendement de conversion élevé, des seuils bas, une qualité de faisceau supérieure et des largeurs de ligne étroites.

En outre, les lasers à fibre possèdent une cavité de résonance dépourvue de lentilles optiques, ce qui permet un fonctionnement sans entretien, une grande stabilité et une durée de vie extrêmement longue, supérieure à 100 000 heures. Par conséquent, les lasers à fibre remplacent progressivement les autres types de lasers dans les applications industrielles telles que la découpe, le marquage et le soudage.