Laser

Expérimenter avec un laser ( Armée américaine)

Le terme "laser" est un acronyme pour amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. Un laser typique émet de la lumière dans un étroit, faible la divergence monochromatique (unicolore, si le laser fonctionne dans le spectre visible), avec un faisceau bien défini longueur d'onde. De cette manière, la lumière laser est en contraste avec une source de lumière tel que le ampoule à incandescence, qui émet de la lumière sur une grande surface et sur une large spectre de longueurs d'onde.

Le premier laser de travail a été démontré mai 1960 par Theodore Maiman au Hughes Research Laboratories. Récemment, les lasers sont devenus une industrie de plusieurs milliards de dollars. L'utilisation la plus répandue des lasers est en dispositifs de stockage optiques tels que les disques compacts et DVD joueurs, dans lequel le laser (quelques millimètres) balaye la surface du disque. Autres applications courantes de lasers sont des lecteurs de codes à barres et pointeurs laser.

Dans l'industrie, lasers sont utilisés pour l'acier et d'autres métaux coupe et pour l'inscription motifs (tels que les lettres sur les claviers d'ordinateur). Les lasers sont aussi couramment utilisés dans divers domaines dans la science , en particulier la spectroscopie , généralement en raison de leur longueur d'onde bien définies ou courte durée d'impulsion dans le cas des lasers pulsés. Les lasers sont utilisés par les militaires pour l'identification des cibles et l'éclairage pour la livraison d'armes. Les lasers utilisés en médecine sont utilisés pour la chirurgie interne et des applications cosmétiques.

Conception

Bien que le mot lumière dans l'acronyme amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement est généralement utilisé dans le sens large, comme les photons de toute l'énergie électromagnétique; elle ne est pas limitée aux photons dans le spectre visible. Ce est pourquoi il existe lasers infrarouges, ultraviolets , lasers Lasers à rayons X, etc. Par exemple, une source d'atomes dans un état cohérent peuvent être appelés une laser à atomes.

Un laser est constitué d'un obtenir un milieu hautement réfléchissante à l'intérieur cavité optique, ainsi que d'un moyen pour fournir de l'énergie au milieu de gain. Le milieu de gain est un matériau (gaz, liquide, solide ou des électrons libres) avec des propriétés optiques appropriées. Dans sa forme la plus simple, une cavité est constituée de deux miroirs disposés de telle sorte que la lumière rebondit en arrière, à chaque fois en passant par le milieu de gain. Typiquement, l'un des deux miroirs, la coupleur de sortie, est partiellement transparente. Le faisceau laser de sortie est émis à travers ce miroir.

Une lumière d'une longueur d'onde spécifique qui passe par le milieu de gain est amplifiés (augmentations de puissance); les miroirs autour de veiller à ce que la majeure partie de la lumière fait de nombreux passages à travers le milieu de gain, en stimulant le matériau de gain en continu. Une partie de la lumière qui se trouve entre les miroirs (ce est à l'intérieur de la cavité) passe à travers le miroir partiellement transparent et se échappe sous forme de faisceau de lumière.

Le procédé de fourniture de l'énergie nécessaire à l'amplification est appelée pompage. L'énergie est généralement fourni comme un courant électrique ou la lumière à une longueur d'onde différente. Une source de pompe est une caractéristique lampe flash ou peut-être un autre laser. La plupart des lasers pratiques contiennent des éléments supplémentaires qui influent sur les propriétés telles que la longueur d'onde de la lumière émise et la forme du faisceau.

Physique des lasers

Principaux constituants:
1. milieu actif laser
2. Laser énergie de pompage
3. Haut réflecteur
4. coupleur de sortie
5. faisceau laser

Un hélium-néon démonstration laser à la Kastler Brossel Laboratoire Univ. Paris 6. La rayons lumineux au milieu est une décharge produisant de la lumière électrique dans la même manière comme une lumière au néon. C'est le acquérir moyen par lequel le laser passe, pas le faisceau laser lui-même, qui est visible là. Le faisceau laser traverse l'air et marque un point rouge sur l'écran vers la droite.

Spectre d'un laser hélium-néon montrant la pureté spectrale très élevée intrinsèque à presque tous les lasers. Comparer avec la relativement large émittance spectrale d'une diode émettant de la lumière.

Pour comprendre les fondements de la façon dont fonctionnent les lasers et ce qui rend leurs émissions si spécial nécessite une connaissance de l'interaction du rayonnement électromagnétique et la matière (voir la « introduction à la mécanique quantique "article).

Un laser est composé d'un milieu actif laser ou un milieu à gain, et une résonnant cavité optique. Le milieu de gain externe transfère l'énergie dans le faisceau laser. Ce est un matériau de pureté contrôlée, la taille, la concentration, et la forme, ce qui amplifie la poutre par le procédé de l'émission stimulée. Le milieu de gain est mis sous tension, ou pompé par une source d'énergie externe. Des exemples de sources de pompage comprennent l'électricité et la lumière, par exemple à partir d'un lampe flash ou d'un autre laser. L'énergie de pompage est absorbé par le milieu laser, en plaçant une partie de ses particules dans haute énergie (" excité ») états quantiques. Les particules peuvent interagir avec la lumière à la fois 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 la même direction que la lumière qui passe par. Lorsque le nombre de particules dans un état excité dépasse le nombre de particules dans un état d'énergie inférieure, inversion de population est obtenue et la quantité d'émission stimulée due à la lumière qui passe à travers est plus grande que la quantité d'absorption. Par conséquent, la lumière est amplifiée. Strictement parlant, ce sont les ingrédients essentiels d'un laser. Cependant, habituellement le laser à terme est utilisé pour les dispositifs où la lumière qui est amplifié est produit comme une émission spontanée à partir du même milieu de gain, où l'amplification a lieu. Dispositifs où la lumière depuis une source externe est amplifié sont normalement appelés des amplificateurs optiques.

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

Le cavité optique, un type de résonateurs à cavité, comporte un faisceau cohérent de lumière entre des surfaces réfléchissantes de sorte que la lumière passe à travers le milieu de gain plus d'une fois avant d'être émise à partir de l'orifice de sortie ou de perte de diffraction ou d'absorption. Comme la lumière circule à travers la cavité, en passant par le milieu de gain, si le gain (amplification) dans le milieu est plus forte que les pertes de résonateur, la puissance de la lumière circulant peut augmenter de façon exponentielle . Mais chaque événement d'émission stimulée retourne une particule de son état excité à l'état du sol, ce qui réduit la capacité du milieu de gain pour une amplification supplémentaire. Lorsque cet effet devient fort, le gain est dit saturé. Le solde de puissance de la pompe contre le gain de saturation et de la cavité des pertes produit une valeur de la puissance du laser à l'intérieur de la cavité de l'équilibre; cet équilibre détermine le point de fonctionnement du laser. Si la puissance de pompage choisi est trop petit, le gain ne est pas suffisante pour surmonter les pertes de résonateur, et le laser émet seulement de très petites puissances lumineuses. La puissance de la pompe minimum nécessaire pour commencer l'action du laser est appelé le seuil d'effet laser. Le milieu de gain va amplifier des photons qui le traverse, indépendamment de la direction; mais seulement les photons alignés avec la cavité parviennent à passer plus d'une fois par l'intermédiaire et ont donc amplification significative.

Le faisceau dans la cavité et le faisceau de sortie du laser, se ils se produisent dans l'espace libre plutôt que des guides d'ondes (comme dans une fibre optique laser), sont, au mieux, une faible ordre Faisceaux gaussiens. Toutefois, ce est rarement le cas avec des lasers puissants. Si le faisceau ne est pas une forme gaussienne faible ordre, le les modes transversaux de la poutre peuvent être décrites comme une superposition de Hermite- Gaussienne ou Poutres Laguerre-Gauss (pour les lasers à cavités stable). Résonateurs laser instables d'autre part, ont été montré pour produire des faisceaux de forme fractale. Le faisceau peut être très collimaté, qui est parallèle sans divergente. Cependant, un faisceau collimaté parfaitement impossible de créer, en raison de diffraction. Le faisceau collimaté reste sur une distance qui varie avec le carré du diamètre du faisceau, et, éventuellement, diverge selon un angle qui varie inversement avec le diamètre du faisceau. Ainsi, un faisceau généré par un petit laser de laboratoire tel qu'un laser hélium-néon se propage à environ 1,6 km (1 mille) de diamètre si brillait de la Terre à la Lune . Par comparaison, la sortie d'un laser à semi-conducteur typique, en raison de son petit diamètre, se écarte pratiquement dès sa sortie de l'ouverture, selon un angle de tout jusqu'à 50 °. Cependant, un tel faisceau divergent peut être transformé en un faisceau collimaté par l'intermédiaire d'un lentille. En revanche, la lumière provenant des sources de lumière non-laser ne peut pas être collimatée par l'optique aussi bien.

La sortie d'un laser peut être une sortie d'amplitude constante continue (appelée CW ou onde continue); ou pulsée, en utilisant les techniques de Q-commutation, modelocking, ou gagner de commutation. En fonctionnement pulsé, des puissances de crête beaucoup plus élevés peuvent être atteints.

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

Bien que le phénomène de laser a été découverte à l'aide de physique quantique , il ne 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 .

Parce que le micro-ondes équivalent du laser, la maser, a été développé en premier lieu, des dispositifs qui émettent micro-ondes et la radio fréquences sont généralement appelé masers. Dans la littérature précoce, notamment des chercheurs de Bell Telephone Laboratories, le laser était souvent appelé le maser optique. Cet usage est devenu rare, et à partir de 1998, même Bell Labs utilise le terme laser.

Onde continue et lasers pulsés

Un laser peut être soit construit pour émettre un faisceau continu ou un train d'impulsions de courte durée. Cela rend différences fondamentales dans la construction, des médias laser utilisables, et les applications.

Opération d'onde continue

Dans le mode de fonctionnement continu onde (CW), la sortie d'un laser est relativement constant par rapport au temps. L'inversion de population nécessaire pour effet laser est continuellement maintenu par une source de pompage stable.

Fonctionnement pulsé

Dans le mode de fonctionnement puisé, la sortie d'un laser varie en fonction du temps, prenant généralement la forme d'une alternance de «on» et des périodes «off». Dans de nombreuses applications on cherche à déposer autant d'énergie que possible à un endroit donné dans un délai aussi court que possible. En ablation au laser par exemple, un petit volume de matière à la surface d'une pièce à usiner peut se évaporer si elle obtient l'énergie nécessaire pour réchauffer assez loin dans le temps très court. Si, cependant, la même énergie est répartie sur un plus long temps, la chaleur peut avoir le temps de disperser dans la masse de la pièce, et se évapore moins importants. Il ya un certain nombre de méthodes pour y parvenir.

Q-switching

Dans un laser Q-switched, l'inversion de population (habituellement produites de la même manière que le fonctionnement CW) est autorisé à se accumuler en effectuant les conditions de cavité (le «Q») défavorables pour l'effet laser. Ensuite, lorsque l'énergie de la pompe stockées dans le support de laser est au niveau souhaité, le «Q» est ajusté (électro ou acousto-optique) à des conditions favorables, libérant l'impulsion. Il en résulte des puissances crêtes élevées que la puissance moyenne du laser (si elle était en cours d'exécution en mode CW) est emballé dans un délai plus court.

Modelocking

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

Le laser modelocked est un outil plus polyvalent pour la recherche processus passe à des échelles de temps extrêmement rapides aussi connu comme la physique femtoseconde, la chimie et femtoseconde la science ultrarapide, pour maximiser l'effet de non-linéarité des matériaux optiques (par exemple dans génération de seconde harmonique, conversion paramétrique, oscillateurs paramétriques optiques et analogues), et dans des applications d'ablation. Encore une fois, en raison des délais courts impliqués, ces lasers peuvent atteindre des puissances extrêmement élevées.

Pompage pulsé

Un autre procédé pour obtenir un fonctionnement de laser à impulsions est de pomper le matériau laser avec une source qui est elle-même pulsé, soit par charge électronique dans le cas de lampes à éclair ou un autre laser pulsé qui est déjà. Pompage pulsé a été historiquement utilisé avec des lasers à colorants, où la durée de vie de la population inversée d'une molécule de colorant est si courte que une énergie élevée, pompe rapide est nécessaire. La façon de surmonter ce problème était pour charger de gros condensateurs qui sont ensuite passés à décharger à travers lampes flash, produisant un large flash pompe de spectre. Pompage pulsé est également nécessaire pour les lasers qui perturbent le milieu de gain tant lors du processus de laser qui doit cesser d'émission laser pendant une courte période. Ces lasers, tels que le laser à excimère et le laser à vapeur de cuivre, ne peuvent jamais être utilisées en mode CW.

Histoire

Fondations

En 1917, Albert Einstein , dans son journal Zur Quantentheorie der Strahlung (Sur la théorie quantique de radiations), a jeté les bases pour l'invention du laser et son prédécesseur, le maser, dans un redérivation de révolutionnaire Max Planck «loi s de rayonnement sur la base des concepts de coefficients de probabilité (plus tard pour être qualifié de« coefficients Einstein ') pour l'absorption, spontanée, et l'émission stimulée.

En 1928, Rudolph W. Landenburg confirmé l'existence de l'émission stimulée et l'absorption négative.

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

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

En 1950, Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique 1966) a proposé la méthode de pompage optique, qui a été confirmée expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard.

Maser

En 1953, Charles H. Townes et les étudiants diplômés James P. Gordon et Herbert J. Zeiger a produit le premier amplificateur à micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires au laser, mais amplifier micro-ondes plutôt que un rayonnement infrarouge ou visible. Townes de maser était incapable de sortie continue. Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov de l' Union soviétique a travaillé indépendamment sur le quantum oscillateur et de résoudre le problème des systèmes continus de sortie en utilisant plus de deux niveaux d'énergie et produit le premier maser. Ces systèmes pourraient libérer émission stimulée sans tomber à l'état du sol, maintenant ainsi une inversion de population. En 1955 Prokhorov et Basov suggéré pompage optique du système à plusieurs niveaux comme une méthode pour obtenir l'inversion de population, qui plus tard est devenu l'une des principales méthodes de pompage de laser.

Rapporte Townes qu'il a rencontré l'opposition d'un certain nombre d'éminents collègues qui pensaient le maser était théoriquement impossible - y compris Niels Bohr , John von Neumann , Isidor Rabi, Polykarp Kusch, et Llewellyn H. Thomas .

Townes, Basov et Prokhorov ont partagé le prix Nobel de physique en 1964 «Pour des travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui a conduit à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du maser-laser".

Laser

En 1957, Charles Townes et Arthur Leonard Schawlow, puis à Les Bell Labs, a commencé une étude sérieuse du laser infrarouge. Comme idées ont été développées, fréquences infrarouges ont été abandonnés avec un accent sur la lumière visible à la place. Le concept a été à l'origine connu comme un «maser optique". De Bell Labs a déposé une demande de brevet pour leur maser optique proposé un an plus tard. Schawlow et Townes envoyé un manuscrit de leurs calculs théoriques pour Physical Review, qui a publié son document de cette année (Volume 112, Issue 6).

En même temps Gordon Gould, un étudiant de troisième cycle à Columbia University, a travaillé sur un thèse de doctorat sur les niveaux de excités d'énergie thallium . Gould et Townes rencontré et eu des conversations sur le sujet général de rayonnement émission. Ensuite Gould a pris des notes sur ses idées pour un "laser" en Novembre 1957, y compris suggérant la base ouvert résonateur, qui est devenu un ingrédient important de lasers futures.

En 1958, Prokhorov a proposé indépendamment en utilisant un résonateur ouvert, la première apparition publique de cette idée. Schawlow et Townes également réglés sur une conception de résonateur ouvert, apparemment pas au courant à la fois l'ouvrage publié des Prokhorov et le travail inédit de Gould.

Le terme "laser" a d'abord été présenté au public dans le document 1959 de la conférence de Gould "Le LASER, amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement". Gould destiné »-aser" être un suffixe, pour être utilisé avec un préfixe correspondant pour les spectres de la lumière émise par le dispositif (rayons X = xaser laser, laser ultraviolet = uvaser, etc.). Aucun des autres termes est devenu populaire, bien que «raser» a été utilisé pendant une courte période pour décrire radiofréquence dispositifs émetteurs.

Les notes de Gould figurent les applications possibles pour un laser, comme la spectrométrie , interférométrie, radar , et la fusion nucléaire. Il a continué à travailler sur son idée et a déposé une demande de brevet en Avril 1959. Le Office américain des brevets a rejeté sa demande et obtenu un brevet pour Bell Labs en 1960. Cela a provoqué une bataille juridique qui a eu 28 ans, avec prestige scientifique et beaucoup d'argent en jeu. Gould a remporté son premier brevet mineure en 1977, mais ce ne est qu'en 1987 qu'il pouvait réclamer sa première victoire significative de brevet quand un juge fédéral a ordonné au gouvernement de délivrer des brevets à lui pour le laser à pompage optique et de la Laser à décharge dans un gaz.

Le premier laser de travail a été faite par Theodore H. Maiman en 1960 à Hughes Research Laboratories à Malibu, en Californie, en battant plusieurs équipes de recherche, y compris ceux de Townes au Université de Columbia, Arthur L. Schawlow chez Bell Labs, et Gould à une société du nom de TRG (technique Research Group). Maiman a utilisé un état solide synthétique de lampe-flash à pompage rubis cristal pour produire la lumière laser rouge à 694 nanomètres de longueur d'onde. Le laser Maiman, cependant, était seulement capable d'un fonctionnement pulsé en raison de son système de pompage de trois niveau d'énergie.

Plus tard en 1960, la iranienne physicien Ali Javan, en collaboration avec William R. Bennett et Donald Herriot, faites le premier laser à gaz utilisant de l'hélium et le néon . Javan tard reçu le Prix Albert Einstein en 1993.

Le concept de la semi-conducteur diode laser a été proposé par Basov et Javan. La première diode laser a été démontrée par Robert N. Hall en 1962. Le dispositif de Hall a été faite de arséniure de gallium et émise à 850 nm dans la quasi- région infrarouge du spectre. Le premier laser à semi-conducteur avec 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-conducteurs peut être utilisé uniquement en mode impulsionnel, et en effet uniquement lorsque refroidi à la température de l'azote liquide (77 K).

En 1970, Jaurès Alferov dans l'Union soviétique et Izuo Hayashi et Morton Panish de Bell Telephone Laboratories a développé indépendamment des diodes laser fonctionnant en continu à la température ambiante, en utilisant la Structure à hétérojonction.

Les innovations récentes

Graphique montrant l'histoire de l'intensité maximale de l'impulsion laser tout au long des 40 dernières années.

Depuis le début de l'histoire de laser, la recherche laser a produit une variété de types de laser améliorées et spécialisées, optimisés pour différents objectifs de performance, y compris:

• nouvelles bandes de longueur d'onde
• puissance de sortie moyenne maximale
• pic maximum de puissance de sortie
• durée de l'impulsion de sortie minimale
• efficacité de puissance maximale
• charge maximale
• allumage maximum

et cette recherche se poursuit à ce jour.

Effet laser sans maintenir le milieu excité en une inversion de population, a été découvert en 1992 à sodium gaz et de nouveau en 1995 dans le rubidium gaz par différentes équipes internationales. Ceci a été accompli en utilisant un maser externe pour induire une "transparence optique" dans le milieu par l'introduction et l'interférence destructive les transitions électroniques au sol entre deux voies, de sorte que la probabilité pour les électrons au sol pour absorber toute l'énergie a été annulée.

En 1985, à la Université de Rochester de Laboratoire de laser Energétique une percée dans la création ultra-impulsions, de très haute intensité ( térawatts) impulsions laser sont devenus disponibles en utilisant une technique appelée chirpé amplification d'impulsion, ou CPA, découvert par Gérard Mourou. Ces impulsions à haute intensité peuvent produire propagation de filament dans l'atmosphère.

Types et principes de fonctionnement

Sortie spectrale de plusieurs types de lasers.

des lasers à gaz

lasers à gaz à l'aide de nombreux gaz ont été construits et utilisés à de nombreuses fins. Ils sont l'un des plus anciens types de laser.

Le hélium-néon laser (He) émet à une variété de longueurs d'onde et des unités d'exploitation à 633 nm sont très fréquents dans l'éducation en raison de son faible coût.

lasers de dioxyde de carbone peuvent émettre des centaines de kilowatts à 9,6 um et 10,6 um, et sont souvent utilisés dans l'industrie pour le découpage et le soudage. L'efficacité d'un laser CO ₂ est supérieure à 10%.

Lasers Argon-ion émettent de la lumière dans la gamme de 351 à 528,7 nm. Selon l'optique et le tube de laser un nombre différent de lignes est utilisable, mais les lignes les plus couramment utilisés sont 458 nm, 488 nm et 514,5 nm.

Une azote t ransverse e LECTRIQUE décharge dans le gaz à une pression tmospheric (TEA) laser est un laser à gaz peu coûteux produire de la lumière UV à 337,1 nm.

lasers à ions métalliques sont des lasers à gaz qui génèrent ultraviolets profonds longueurs d'onde. hélium - argent (HEAG) 224 nm et néon - cuivre (NECU) 248 nm sont deux exemples. Ces lasers ont oscillation particulièrement étroite largeurs inférieures à 3 GHz (0,5 picomètre), ce qui en fait des candidats pour une utilisation dans fluorescence supprimée Spectroscopie Raman.

lasers chimiques

Lasers chimiques sont alimentés par une réaction chimique, et peuvent atteindre des puissances élevées en régime permanent. Par exemple, dans le laser à fluorure d'hydrogène (2700-2900 nm) et le laser à fluorure de deutérium (3,800 nm) de la réaction est la combinaison de l'hydrogène ou du deutérium avec les produits de combustion de l'éthylène en le trifluorure d'azote. Ils ont été inventés par George C. Pimentel.

Les lasers excimères

lasers Excimer sont alimentés par une réaction chimique impliquant un dimère excité, ou excimer, qui est une molécule de courte durée ou hétérodimérique dimère formé de deux espèces (atomes), au moins un qui est dans une état électronique excité. Ils produisent généralement ultraviolet lumière, et sont utilisés dans les semi-conducteurs photolithographie et LASIK. Molécules excimères couramment utilisés comprennent ₂ F ( fluor , émettant à 157 nm), et composés de gaz nobles (ARF [193 nm], KrCl [222 nm], KrF [248 nm], XeCl [308 nm], et XeF [351 nm]).

Lasers à semi-conducteurs

A 50 W Fasor, basé sur un laser Nd: YAG, en usage à la Starfire Gamme optique

Matériaux de laser à semi-conducteurs sont généralement fabriqués en dopant un hôte solide cristallin avec des ions qui fournissent les états d'énergie requis. Par exemple, le premier laser de travail est un laser rubis, fabriqué à partir de rubis ( chrome dopé corindon ). Formellement, la classe de lasers à l'état solide comprend également Laser à fibre, comme milieu actif (fibre) est à l'état solide. En pratique, dans la littérature scientifique, laser à état solide signifie généralement un laser à milieu actif en vrac; tandis lasers guides d'onde sont appelant des lasers à fibre.

Néodyme est un dopant commune dans divers solides cristaux de laser de l'Etat, y compris yttrium orthovanadate ( Nd: YVO _4), fluorure d'yttrium-lithium ( Nd: YLF) et grenat d'yttrium et d'aluminium ( Nd: YAG). Tous ces lasers peuvent produire de fortes puissances dans le spectre infrarouge à 1064 nm. Ils sont utilisés pour la découpe, le soudage et le marquage des métaux et autres matériaux, et également dans la spectroscopie de pompage et lasers à colorant. Ces lasers sont aussi communément doublé en fréquence, ou triplé quadruplé pour produire 532 nm ( vert, visible), 355 nm ( UV ) et 266 nm ( UV ) de lumière lorsque ces longueurs d'onde sont nécessaires.

Ytterbium , holmium , le thulium et l'erbium sont d'autres dopants communs dans les lasers à l'état solide. Ytterbium est utilisé dans les cristaux tels que Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF2, opérant généralement autour de 1020 à 1050 nm. Ils sont potentiellement très efficace et de haute puissance en raison d'un petit défaut quantique. Puissances extrêmement élevées à impulsions ultracourtes peuvent être obtenus avec Yb:. YAG holmium YAG dopé cristaux émettent à 2097 nm et forment un laser fonctionnant à l'efficacité longueurs d'onde infrarouges fortement absorbés par les tissus contenant de l'eau. Le Ho-YAG est généralement utilisé dans un mode pulsé, et passé à travers des dispositifs chirurgicaux de fibres optiques à refaire surface joints, enlever la pourriture des dents, vaporiser cancers, et pulvériser les reins et les calculs biliaires.

Titane saphir dopé ( Ti: saphir) produit une très accordable laser infrarouge, couramment utilisé pour la spectroscopie ainsi que la plus courante ultracourtes laser à impulsions.

Limitations thermiques dans les lasers à semi-conducteurs proviennent de puissance de la pompe non converti qui se manifeste sous forme de chaleur et énergie phonon. Cette chaleur, lorsqu'elle est associée à un coefficient thermo-optique élevé (d n / d T) peut donner lieu à l'effet de lentille thermique ainsi que l'efficacité quantique réduite. Ces types de problèmes peuvent être surmontés par un autre roman pompé par diode laser à l'état solide, la diode-pompé mince laser à disque. Les limitations thermiques dans ce type de laser sont atténués par l'utilisation d'une géométrie de milieu laser dans lequel l'épaisseur est beaucoup plus petite que le diamètre du faisceau de pompage. Cela permet un gradient thermique plus uniforme dans le matériau. Mince lasers à disque ont été montré pour produire à des niveaux de puissance de kilowatts.

lasers à fibre hébergé

Lasers à semi-conducteurs où la lumière est guidé en raison de la réflexion interne totale dans un wavequide sont appelés lasers à fibres en raison de grand rapport de la longueur à la dimension transversale; ce rapport peut varier de ¹⁰ juin-10 septembre; Visuellement, l'élément actif d'un tel laser se présente comme une fibre. Principes de la lumière permet aux régions de gain extrêmement longues offrant de bonnes conditions de refroidissement; fibres ont une surface spécifique élevée par rapport au volume permet un refroidissement efficace. En outre, les propriétés de guidage d'ondes de la fibre ont tendance à réduire la distorsion thermique de la poutre.

fibres double gaine. Assez souvent, le laser à fibre est conçu comme un fibres double gaine. Ce type de fibres est constitué d'un noyau de fibre, une gaine intérieure et une gaine extérieure. L'indice des trois couches concentriques est choisie pour que le coeur de la fibre agit comme une fibre monomode pour l'émission laser tandis que les actes de revêtement extérieures en tant que noyau fortement multimode pour le laser de pompage. Cela permet la pompe propager une grande quantité d'énergie dans et à travers la région interne active de base, tout en ayant une grande ouverture numérique (NA) d'avoir des conditions de lancement facile.

Fibre lasers de disque. L'utilisation efficace de pompe Laser à fibre peut être obtenue à la livraison transversale de la pompe; cependant, plusieurs lasers doivent être formés en une pile. Cette pile peut avoir la forme d'un disque, qui est une alternative à la fibres double gaine.

La longueur maximale d'un laser à fibre. 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 peut devenir dominant et empêcher le fonctionnement du laser et / ou conduire à la destruction matériau de la fibre. Cet effet est appelé photodarkening. Dans les matériaux en vrac laser, le refroidissement ne est pas très efficace et il est difficile de séparer les effets de photodarkening contre les effets thermiques, mais les expériences de la photodarkening fibres peut être attribuée à la formation de longue vie og des centres de couleur.

des lasers à semi-conducteurs

Commercial diodes lasers émettent à des longueurs d'onde de 375 nm à 1800 nm, et les longueurs d'onde de plus de 3 um ont été démontrés. Diodes laser de faible puissance sont utilisés dans imprimantes laser et des lecteurs CD / DVD. Plus puissantes diodes laser sont fréquemment utilisés pour optiquement pomper autres lasers avec une grande efficacité. Les plus fortes diodes de puissance laser industrielle, avec une puissance allant jusqu'à 10 kW (70dBm), sont utilisés dans l'industrie pour la découpe et le soudage. À cavité externe lasers à semi-conducteurs ont un milieu actif semi-conducteur dans une cavité plus grande. Ces appareils peuvent générer des sorties de haute puissance avec une bonne qualité de faisceau, étroit en longueur d'onde rayonnement de largeur de raie, ou des impulsions laser ultracourtes.

Lasers émettant de surface à cavité verticale ( VCSEL) sont des lasers semi-conducteurs dont la direction d'émission est perpendiculaire à la surface de la plaquette. dispositifs VCSEL ont généralement un faisceau de sortie plus circulaire que les diodes laser conventionnelles, et potentiellement pourraient être beaucoup moins cher à fabriquer. En 2005, seulement 850 nm VCSEL sont largement disponibles, avec 1300 VCSEL nm commencent à être commercialisés, et 1550 nm dispositifs d'un domaine de recherche. VECSELs sont VCSEL à cavité externe. Lasers à cascade quantique sont des lasers à semi-conducteurs qui ont une transition active entre les sous-bandes d'énergie d'un électron dans une structure contenant plusieurs les puits quantiques.

Le développement d'un silicium laser est important dans le domaine de informatique optique, puisque cela signifie que si le silicium, le principal ingrédient des puces informatiques , étaient en mesure de produire des lasers, ce serait permettre à la lumière d'être manipulé comme des électrons dans les circuits intégrés sont normales. Ainsi, les photons remplaceraient électrons dans les circuits, ce qui augmente considérablement la vitesse de l'ordinateur. Malheureusement, le silicium est un matériau à effet laser difficiles à traiter, car il possède certaines propriétés qui bloquent l'effet laser. Toutefois, récemment, les équipes ont produit des lasers de silicium par des méthodes telles que la fabrication d'un matériau d'émission laser à partir de silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs, tels que indium (III) ou du phosphure gallium (III) arséniure, des matériaux qui permettent à la lumière cohérente à produire à partir de silicium. Ils sont appelés laser hybride de silicium. Un autre type est un Laser Raman, qui tire parti de Diffusion Raman pour produire un laser à partir de matériaux tels que le silicium.

lasers à colorant

utilisent des lasers à colorant un colorant organique comme milieu de gain. Le spectre de gain large de colorants disponibles permet à ces lasers pour être très accordable, ou de produire de très impulsions de courte durée (de l'ordre de quelques-uns femtosecondes)

Lasers à électrons libres

Lasers à électrons libres, ou FEL, générer cohérente rayonnement de puissance, haute, qui est largement accordable, se situant actuellement en longueur d'onde des micro-ondes, à travers rayonnement térahertz et infrarouge, pour le spectre visible, les rayons X mous. Ils ont la plus large gamme de fréquence de ne importe quel type de laser. Bien poutres FEL partagent les mêmes traits que les autres lasers optiques, tels que rayonnement cohérent, le fonctionnement FEL est très différente. Contrairement au gaz, liquide, ou les lasers à l'état solide, qui se appuient sur les états atomiques ou moléculaires liés, FEL utiliser un faisceau d'électrons relativistes que le milieu laser, d'où l'électron libre terme.

Lasers de réaction nucléaire

En Septembre 2007, le BBC Nouvelles a indiqué qu'il y avait des spéculations sur la possibilité d'utiliser positronium l'anéantissement de conduire un très puissant gamma rayon laser. Ce laser est considéré comme assez puissant pour faire démarrer une réaction nucléaire, avec un seul laser de rayons gamma, plutôt que les centaines de lasers classiques impliqués dans des expériences actuelles.

Lasers à cristaux photoniques

Lasers basés sur des nano-structures qui fournissent le confinement de mode et de la structure DOS requis pour les évaluations avoir lieu. Ils sont typiques micronique et accordable sur les bandes des cristaux photoniques

L'effet laser aléatoire

Un laser aléatoire est un système formé par un assemblage au hasard de disperse élastiques dispersées dans un milieu de gain optique.La diffusion de la lumière multiple remplace la cavité optique standard de lasers traditionnels et l'interaction entre le gain et détermine ses propriétés uniques diffusion.

Utilisations

Lasers varient en taille de microscopiqueslasers à diode (en haut) avec de nombreuses applications, à taille terrain de footballnéodyme verrelasers (en bas) utilisés pourfusion par confinement inertiel,armes nucléairesde recherche et d'autres expériences de physique de haute densité d'énergie.

Lorsque les lasers ont été inventés en 1960, ils ont été appelés "une solution à la recherche d'un problème». Depuis lors, ils sont devenus omniprésents, trouver une utilité dans des milliers d'applications très variées dans chaque section de la société moderne, y compris l'électronique de consommation, technologies de l'information, la science , la médecine , l'industrie , l'application de la loi, de divertissement, et la militaire.

La première application de lasers visibles dans la vie quotidienne de la population en général était le supermarchéscanner de codes barres, introduit en 1974. Lelecteur de disque laser, introduit en 1978, a été le premier produit de consommation réussi à inclure un laser, mais ledisque compactjoueur était le premier dispositif laser équipée pour devenir véritablement commune dans les foyers des consommateurs, en commençant en 1982, suivi peu après parles imprimantes laser.

Parmi les autres applications comprennent:

• Médecine: la chirurgie sans transfusion, la guérison de laser, un traitement chirurgical, le traitement de calculs rénaux,le traitement des yeux, la dentisterie
• Industrie: découpe, soudage, traitement thermique matériau, le marquage de pièces
• Défense: Marquage des cibles, de munitions directeurs,la défense antimissile,les contre-mesures électro-optique (EOCM),RADARalternatif
• Recherche: spectroscopie, l'ablation laser, Laser recuit, diffraction laser, interférométrie laser, LIDAR
• Le développement de produits / commerciale: les imprimantes laser,les CD,les scanners de codes à barres, les pointeurs laser,des hologrammes)

En 2004, à l'exclusion des diodes lasers, environ 131 000 lasers ont été vendus dans le monde entier, avec une valeur de 2,19 milliards de dollars. Dans la même année, environ 733 millions de diodes lasers, d'une valeur de 3,20 milliards de dollars, ont été vendus.

Exemples de puissance

Les différentes utilisations doivent lasers avec différentes puissances de sortie. Les lasers qui produisent un faisceau continu ou une série d'impulsions courtes peuvent être comparés sur la base de leur puissance moyenne. Lasers qui produisent des impulsions peuvent également être caractérisés sur la base du pic de puissance de chaque impulsion. La puissance de crête d'un laser pulsé est plusieurs ordres de grandeur supérieure à la puissance moyenne. La puissance de sortie moyenne est toujours inférieure à la puissance consommée.

La puissance continue ou moyen nécessaire pour certaines utilisations:

• 5 mW -lecteur de CD-ROM
• 5-10 mW -lecteur de DVD oulecteur de DVD-ROM
• 100 mW -CD-RW
• 250 mW - haut débitgraveur CD-R
• 500 mW - Consommateurgraveur DVD-R
• 1 W - laser vert en coursde développement de prototype Holographic Versatile Disc
• 30-100 W - CO typique scellé₂lasers chirurgicaux
• 100-3000 W (puissance de pointe de 1,5 kW) - CO typique scellés₂lasers utilisés dans les secteurs industrieldécoupe laser
• 1 kW - Puissance de sortie devrait être réalisé par un 1 cm barre de diode laser prototype

Des exemples de systèmes pulsés à haute puissance de crête:

• 700 TW (700 × 10 ¹² W) - Le National Ignition Facility travaille sur un système qui, une fois terminé, comprendra un 192-poutre, système laser de 1,8 mégajoule attenant à une chambre cible de 10 mètres de diamètre. Le système devrait être achevé en Avril 2009.
• 1.3 PW (1,3 × 10¹⁵W) - laser le plus puissant du mondeà partir de 1998, situé auLaboratoire Lawrence Livermore

Utilisations de loisirs

Au cours des dernières années, certains amateurs ont pris des intérêts dans les lasers. Les lasers utilisés par les amateurs sont généralement de classe IIIa ou IIIb, même si certains ont fait leurs propres types de classe IV. Cependant, par rapport à d'autres amateurs, amateurs de laser sont beaucoup moins fréquents, en raison du coût et les dangers potentiels impliqués. En raison du coût des lasers, des amateurs utilisent des moyens peu coûteux pour obtenir les lasers, les diodes telles que l'extraction à partir de brûleurs de DVD.

Les amateurs ont également été prennent lasers pulsés excédentaires à partir des applications militaires à la retraite et de les modifier pour l'holographie pulsée. Rubis pulsé YAG et des lasers à impulsions ont été utilisées.

Sécurité laser

Consigne de sécurité pour lasers

Même le premier laser a été reconnu comme étant potentiellement dangereux. Theodore Maiman caractérisé le premier laser ayant une puissance d'une " Gillette "; car il pourrait brûler à travers une Gillette lame de rasoir. 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 qui la cornée et la lentille peuvent se concentrer ainsi, la cohérence et la faible divergence de la lumière laser signifie qu'il peut être porté par l' oeil dans une très petite tache sur la rétine , entraînant une combustion localisée et des dommages permanents en secondes, voire moins temps. Les lasers sont classés dans les classes de sécurité numérotés de I (intrinsèquement sûrs) à IV (même lumière diffusée peut irriter les yeux et / ou des dommages de la peau). Les produits laser disponibles aux consommateurs, tels que des lecteurs CD et des pointeurs laser sont généralement en classe I, II ou III. Certains lasers infrarouges de longueurs d'onde au-delà d'environ 1,4 micromètres sont souvent désignés comme étant «à sécurité oculaire". Ceci est parce que les vibrations moléculaires intrinsèques de l'eau molécules absorbent très fortement la lumière dans cette partie du spectre, et donc un faisceau laser à ces longueurs d'onde est atténuée si complètement comme il passe à travers de l'œil la cornée qu'aucune lumière reste à être focalisé par la lentille sur la rétine . Le label "sécurité oculaire" peut être trompeur, cependant, car il applique uniquement à une puissance relativement faible des faisceaux d'ondes continues et toute puissance élevée ou laser Q-switched à ces longueurs d'onde peut brûler la cornée, provoquant de graves lésions oculaires.

Terminologie relative

Par analogie avec les lasers optiques, un dispositif qui produit des particules ou derayonnement électromagnétiquedans un état ​​cohérent est aussi appelé un "laser", généralement avec indication du type de particule comme préfixe (par exemple,laser à atomes.) Dans la plupart des cas ", laser »fait référence à une source de lumière cohérente ou d'un autrerayonnement électromagnétique.

Le back-verbe forméLASE​​moyen "pour produire une lumière laser» ou «d'appliquer la lumière laser pour".

Prédictions fictifs

Avant émission stimulée a été découvert,romanciersutilisés pour décrire machines que nous pouvons identifier comme "lasers".

• Le premier dispositif de fiction semblable à une coopération militaire₂laser (voirHeat-Ray) apparaît dans le roman de science-fiction La Guerre des MondesdeHG Wells en 1898.
• Un dispositif laser-like a été décrit dansla science-fiction du roman de Tolstoï Alexey Le Hyperboloid d'Ingénieur Garinen 1927: voirRaygun # Dans les scénarios spécifiques (faites défiler jusqu'à l'ordre alphabétique «H» dans la colonne de gauche).
• Mikhaïl Boulgakov exagéré l'effet biologique (biostimulation laser) de lumière rouge intense dans ses sci-fi de nouveaux oeufs mortels (1925), sans aucune description raisonnable de la source de cette lumière rouge. (Dans ce roman, la lumière rouge apparaît de temps en temps du système d'éclairage de pointe d'un microscope, puis le protagoniste Prof. Persikov organise le set-up spéciale pour la production de la lumière rouge.)