Structure et principe de fonctionnement du laser. Dispositifs quantiques à pompage optique fonctionnant selon un « schéma à trois niveaux »

Les générateurs quantiques émettant dans la gamme des rayonnements visibles et infrarouges sont appelés lasers. Le mot « laser » est l'abréviation de l'expression : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, qui désigne l'amplification de la lumière résultant d'une émission induite ou, comme parfois appelée, stimulée, de quanta.

Appareil laser

Un laser généralisé se compose d'un milieu actif laser, d'un système de « pompage » - une source de tension et d'une cavité optique.

Le système de pompage transfère de l’énergie aux atomes ou molécules du milieu laser, leur donnant la possibilité d’entrer dans un « état métastable » excité créant une inversion de population.

· Le pompage optique utilise des photons fournis par une source, telle qu'une lampe flash remplie de gaz xénon ou un autre laser, pour transférer de l'énergie à la substance laser. La source optique doit fournir des photons qui correspondent aux niveaux de transition acceptables dans le matériau laser.

· Le pompage par collision est basé sur le transfert d'énergie vers une substance laser à la suite de collisions avec des atomes (ou des molécules) de la substance laser. Dans le même temps, l'énergie correspondant aux transitions admissibles doit également être fournie. Ceci est généralement réalisé en utilisant une décharge électrique dans un gaz pur ou un mélange de gaz dans un tube.

· Les systèmes de pompage chimique utilisent l'énergie de liaison libérée à la suite de réactions chimiques pour transformer la substance laser dans un état métastable.

Une cavité optique est nécessaire pour fournir la force souhaitée dans le laser et sélectionner les photons qui se déplacent dans la direction souhaitée. Lorsque le premier atome ou molécule dans un état métastable d'inversion de population est déchargé, en raison d'une émission stimulée, il initie la décharge d'autres atomes ou molécules dans un état métastable. Si les photons se déplacent vers les parois de la substance laser, généralement une tige ou un tube, ils sont perdus et le processus d'amplification est interrompu. Bien qu'ils puissent être réfléchis par les parois de la tige ou du tuyau, ils seront tôt ou tard perdus du système et ne contribueront pas à la création du faisceau.

En revanche, si l'un des atomes ou molécules détruits libère un photon parallèle à l'axe de la substance laser, il peut initier la libération d'un autre photon, et ils seront tous deux réfléchis par un miroir situé à l'extrémité de la tige génératrice. ou un tube. Les photons réfléchis repassent ensuite à travers la substance, déclenchant un rayonnement supplémentaire suivant exactement le même chemin, qui est à nouveau réfléchi par les miroirs situés aux extrémités de la substance laser. Tant que ce processus d'amplification se poursuit, une partie de l'amplification sortira toujours par le miroir partiellement réfléchissant. Lorsque le gain ou le gain de ce processus dépasse les pertes de la cavité, l'effet laser commence. Ainsi, un faisceau étroit et concentré de lumière cohérente est formé. Les miroirs de la cavité optique laser doivent être ajustés avec précision pour garantir que les rayons lumineux sont parallèles à l'axe. Le résonateur optique lui-même, c'est-à-dire la substance du milieu ne doit pas absorber fortement l'énergie lumineuse.

Support laser (matériau laser) – Les lasers sont généralement désignés par le type de substance laser utilisée. Il existe quatre types de ce type :

solide,

Colorant,

Semi-conducteur.

Les lasers à semi-conducteurs utilisent un matériau laser distribué dans une matrice solide. Les lasers à solide occupent une place unique dans le développement des lasers. Le premier support laser fonctionnel était un cristal de rubis rose (verre saphir dopé au chrome) ; depuis, le terme « laser à solide » est généralement utilisé pour décrire un laser dont le milieu actif est un cristal dopé par des impuretés ioniques. Les lasers à semi-conducteurs sont de grands appareils faciles à entretenir, capables de générer une énergie de grande puissance. La particularité des lasers à solide est que la puissance de sortie n'est généralement pas constante, mais consiste en un grand nombre de pics de puissance individuels.

Un exemple est le laser Néodyme-YAG. Le terme YAG est l'abréviation du cristal : le grenat d'yttrium et d'aluminium, qui sert de support aux ions néodyme. Ce laser émet un faisceau infrarouge d'une longueur d'onde de 1 064 micromètres. De plus, d'autres éléments dopants peuvent être utilisés, comme l'erbium (lasers Er:YAG).

Les lasers à gaz utilisent du gaz ou un mélange de gaz dans un tube. La plupart des lasers à gaz utilisent un mélange d'hélium et de néon (HeNe), avec un signal de sortie primaire de 6 328 nm (nm = 10-9 mètres), visible en rouge. Ce laser a été développé pour la première fois en 1961 et est devenu le précurseur de toute une famille de lasers à gaz.

Tous les lasers à gaz sont assez similaires en termes de conception et de propriétés. Par exemple, un laser à gaz CO2 émet une longueur d’onde de 10,6 micromètres dans la région infrarouge lointain du spectre. Les lasers à gaz argon et krypton fonctionnent à plusieurs fréquences, émettant principalement dans la partie visible du spectre. Les principales longueurs d'onde du rayonnement laser à l'argon sont 488 et 514 nm.

Les lasers à colorant utilisent un milieu laser qui est un colorant organique complexe dans une solution ou une suspension liquide.

La caractéristique la plus importante de ces lasers est leur « adaptabilité ». Le choix correct du colorant et de sa concentration permet de générer de la lumière laser sur une large gamme de longueurs d'onde dans ou près du spectre visible. Les lasers à colorant utilisent généralement un système d'excitation optique, bien que certains types de lasers à colorant utilisent une excitation chimique.

Lasers à semi-conducteur (diode) : constitués de deux couches de matériau semi-conducteur empilées ensemble. Une diode laser est une diode électroluminescente dotée d'une capacité optique permettant d'amplifier la lumière émise par un jeu dans une tige semi-conductrice, comme le montre la figure. Ils peuvent être réglés en modifiant le courant appliqué, la température ou le champ magnétique.

Les différents modes temporels de fonctionnement du laser sont déterminés par la fréquence à laquelle l'énergie est fournie.

Les lasers à ondes continues (CW) fonctionnent avec une puissance de faisceau moyenne constante.

Les lasers à impulsion unique ont généralement des durées d'impulsion allant de plusieurs centaines de microsecondes à plusieurs millisecondes. Ce mode de fonctionnement est généralement appelé mode à impulsion longue ou mode normal.

Les lasers Q-switched à impulsion unique sont le résultat d'un retard intracavité (cellule Q-switched), qui permet au milieu laser de conserver une énergie potentielle maximale. Ensuite, dans les conditions les plus favorables, des impulsions uniques sont émises, généralement avec un intervalle de temps de 10 à 8 secondes. Ces impulsions ont une puissance de crête élevée, souvent comprise entre 106 et 109 watts.

Les lasers pulsés pulsés, ou lasers à balayage, fonctionnent en principe de la même manière que les lasers pulsés, mais à une fréquence d'impulsion fixe (ou variable) qui peut varier de quelques impulsions par seconde jusqu'à 20 000 impulsions par seconde.

Principe de fonctionnement du laser

La base physique du fonctionnement du laser est le phénomène de rayonnement forcé (induit). L'essence du phénomène est qu'un atome excité est capable d'émettre un photon sous l'influence d'un autre photon sans son absorption, si l'énergie de ce dernier est égale à la différence des énergies des niveaux de l'atome avant et après le radiation. Dans ce cas, le photon émis est cohérent avec le photon qui a provoqué le rayonnement (c'est sa « copie exacte »). De cette façon, la lumière est amplifiée. Ce phénomène diffère de l'émission spontanée, dans laquelle les photons émis ont des directions de propagation, une polarisation et une phase aléatoires.

La probabilité qu'un photon aléatoire provoque une émission stimulée d'un atome excité est exactement égale à la probabilité d'absorption de ce photon par un atome dans un état non excité. Par conséquent, pour amplifier la lumière, il est nécessaire qu’il y ait plus d’atomes excités dans le milieu que d’atomes non excités (ce qu’on appelle l’inversion de population). En état d'équilibre thermodynamique, cette condition n'est pas remplie, c'est pourquoi divers systèmes de pompage du milieu actif laser (optique, électrique, chimique, etc.) sont utilisés.

La principale source de génération est le processus d'émission spontanée, par conséquent, pour assurer la continuité des générations de photons, l'existence d'une rétroaction positive est nécessaire, grâce à laquelle les photons émis provoquent des actes ultérieurs d'émission induite. Pour ce faire, le milieu actif laser est placé dans une cavité optique. Dans le cas le plus simple, il se compose de deux miroirs, dont l'un est translucide : le faisceau laser sort partiellement du résonateur. Réfléchi par les miroirs, le faisceau de rayonnement traverse le résonateur à plusieurs reprises, provoquant des transitions induites dans celui-ci. Le rayonnement peut être continu ou pulsé. Parallèlement, en utilisant divers dispositifs (prismes rotatifs, cellules Kerr, etc.) pour désactiver et réactiver rapidement le feedback et ainsi réduire la période des impulsions, il est possible de créer des conditions permettant de générer un rayonnement de très forte puissance (le ce qu'on appelle des impulsions géantes). Ce mode de fonctionnement du laser est appelé mode Q-switched.

Le rayonnement généré par un laser est monochromatique (une ou un ensemble discret de longueurs d'onde), puisque la probabilité d'émission d'un photon d'une certaine longueur d'onde est supérieure à celle d'un photon proche, associée à l'élargissement de la raie spectrale, et , par conséquent, la probabilité de transitions induites à cette fréquence a également un maximum. Par conséquent, progressivement au cours du processus de génération, les photons d’une longueur d’onde donnée domineront tous les autres photons. De plus, grâce à la disposition particulière des miroirs, seuls les photons qui se propagent dans une direction parallèle à l'axe optique du résonateur à une courte distance de celui-ci sont retenus dans le faisceau laser ; les photons restants quittent rapidement le volume du résonateur. Ainsi, le faisceau laser présente un angle de divergence très faible. Enfin, le faisceau laser présente une polarisation strictement définie. Pour ce faire, divers polaroïds sont introduits dans le résonateur ; il peut s'agir par exemple de plaques de verre plates installées selon un angle de Brewster par rapport à la direction de propagation du faisceau laser.

Applications du laser

Rayonnement du générateur quantique laser

Depuis leur invention, les lasers se sont imposés comme « des solutions toutes faites à des problèmes encore inconnus ». En raison des propriétés uniques du rayonnement laser, ils sont largement utilisés dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques, ainsi que dans la vie quotidienne (lecteurs CD, imprimantes laser, lecteurs de codes-barres, pointeurs laser, etc.). Dans l'industrie, les lasers sont utilisés pour découper, souder et braser des pièces constituées de divers matériaux. La température élevée du rayonnement permet de souder des matériaux qui ne peuvent pas être soudés par des méthodes conventionnelles (par exemple la céramique et le métal). Le faisceau laser peut être focalisé sur un point d'un diamètre de l'ordre du micron, ce qui permet de l'utiliser en microélectronique (ce qu'on appelle le marquage laser). Les lasers sont utilisés pour obtenir des revêtements de surface de matériaux (alliage laser, surfaçage laser, dépôt laser sous vide) afin d'augmenter leur résistance à l'usure. Le marquage au laser des dessins industriels et la gravure de produits fabriqués à partir de divers matériaux sont également largement utilisés. Lors du traitement laser des matériaux, il n'y a aucun impact mécanique sur ceux-ci, seules des déformations mineures se produisent. De plus, l'ensemble du processus technologique peut être entièrement automatisé. Le traitement laser se caractérise donc par une précision et une productivité élevées.

Un laser à semi-conducteur utilisé dans l'unité de génération d'images d'une imprimante Hewlett-Packard.

Les lasers sont utilisés en holographie pour créer eux-mêmes des hologrammes et obtenir une image holographique tridimensionnelle. Certains lasers, tels que les lasers à colorant, sont capables de générer une lumière monochromatique de presque toutes les longueurs d'onde, et les impulsions de rayonnement peuvent atteindre 10 à 16 s, et donc des puissances énormes (appelées impulsions géantes). Ces propriétés sont utilisées en spectroscopie, ainsi que dans l'étude des effets optiques non linéaires. Grâce à un laser, il a été possible de mesurer la distance à la Lune avec une précision de plusieurs centimètres. La télémétrie laser des objets spatiaux a clarifié la signification de la constante astronomique et a contribué au raffinement des systèmes de navigation spatiale, élargissant la compréhension de la structure de l'atmosphère et de la surface des planètes du système solaire. Dans les télescopes astronomiques équipés d'un système optique adaptatif pour corriger les distorsions atmosphériques, des lasers sont utilisés pour créer des étoiles guides artificielles dans les couches supérieures de l'atmosphère.

Les impulsions laser ultracourtes sont utilisées en chimie laser pour déclencher et analyser des réactions chimiques. Ici, le rayonnement laser permet une localisation, un dosage précis, une stérilité absolue et une entrée d’énergie à grande vitesse dans le système. Actuellement, divers systèmes de refroidissement laser sont en cours de développement et les possibilités de mise en œuvre d'une fusion thermonucléaire contrôlée à l'aide de lasers sont envisagées (le laser le plus approprié pour la recherche dans le domaine des réactions thermonucléaires serait un laser utilisant des longueurs d'onde dans la partie bleue du spectre visible). ). Les lasers sont également utilisés à des fins militaires, par exemple comme aide au guidage et à la visée. Des options visant à créer des systèmes de défense de combat aériens, maritimes et terrestres basés sur des lasers de haute puissance sont à l'étude.

En médecine, les lasers sont utilisés comme scalpels sans effusion de sang et sont utilisés dans le traitement des maladies ophtalmiques (cataractes, décollement de rétine, correction de la vue au laser, etc.). Ils sont également largement utilisés en cosmétologie (épilation au laser, traitement des défauts cutanés vasculaires et pigmentés, peeling au laser, élimination des tatouages ​​et des taches de vieillesse). Actuellement, la communication dite laser se développe rapidement. On sait que plus la fréquence porteuse d'un canal de communication est élevée, plus son débit est élevé. Par conséquent, les communications radio ont tendance à se déplacer vers des longueurs d’onde de plus en plus courtes. La longueur d'onde de la lumière est en moyenne six ordres de grandeur plus courte que la longueur d'onde de la plage radio, de sorte que le rayonnement laser peut transmettre une quantité d'informations beaucoup plus importante. La communication laser s'effectue à travers des structures de guide de lumière ouvertes et fermées, par exemple une fibre optique. Grâce au phénomène de réflexion interne totale, la lumière peut s'y propager sur de longues distances, pratiquement sans faiblir.

Production quotidienne et activités scientifiques. Au fil des années, cet « outil » sera de plus en plus amélioré, et en même temps la portée des lasers ne cessera de s'élargir. Le rythme croissant de la recherche dans le domaine de la technologie laser ouvre la possibilité de créer de nouveaux types de lasers aux caractéristiques considérablement améliorées, leur permettant d'élargir leurs domaines d'application dans...

Non seulement pour les matériaux particulièrement durs, mais aussi pour les matériaux caractérisés par une fragilité accrue. La perceuse laser s’est avérée être non seulement un « outil » puissant, mais aussi très délicat. Exemple : utilisation d'un laser pour percer des trous dans des substrats de puces en céramique d'alumine. Les céramiques sont particulièrement fragiles. Pour cette raison, le perçage mécanique de trous dans le substrat de la puce...

Le laser est nécessairement constitué de trois composants principaux :

1) milieu actif, dans lesquels sont créés les États à inversion de population ;

2) systèmespompage− des dispositifs pour créer une inversion dans le milieu actif ;

3) optiqueà propos du résonateur− un dispositif qui façonne la direction du faisceau de photons.

De plus, le résonateur optique est conçu pour une amplification multiple du rayonnement laser.

Actuellement comme actif (fonctionnement) environnement les lasers utilisent différents états agrégés de la matière : solide, liquide, gazeux, plasma.

Pour créer une population inverse de l'environnement laser, divers méthodes de pompage . Le laser peut être pompé en continu ou en impulsion. En mode longue durée (continu), la puissance de la pompe introduite dans le milieu actif est limitée par la surchauffe du milieu actif et les phénomènes associés. En mode impulsion unique, il est possible d'introduire beaucoup plus d'énergie dans le milieu actif que pendant le même temps en mode continu. Cela se traduit par une plus grande puissance d’une seule impulsion.

Laser- il s'agit d'une source lumineuse dont les propriétés diffèrent fortement de toutes les autres sources (lampes à incandescence, lampes fluorescentes, flammes, luminaires naturels, etc.). Le faisceau laser possède un certain nombre de propriétés remarquables. Il s'étend sur de longues distances et a une direction strictement linéaire. Le faisceau se déplace selon un faisceau très étroit avec un faible degré de divergence (il atteint la Lune avec un foyer de plusieurs centaines de mètres). Le faisceau laser dégage une grande chaleur et peut percer un trou dans n’importe quel matériau. L'intensité lumineuse du faisceau est supérieure à l'intensité des sources lumineuses les plus puissantes.
Nom du laser est une abréviation de l'expression anglaise : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). amplification de la lumière par émission stimulée.
Tous les systèmes laser peuvent être divisés en groupes en fonction du type de milieu actif utilisé. Les types de lasers les plus importants sont :

état solide

semi-conducteur

liquide

gaz
Un milieu actif est un ensemble d'atomes, de molécules, d'ions ou d'un cristal (laser à semi-conducteur) qui, sous l'influence de la lumière, peuvent acquérir des propriétés amplificatrices.

Ainsi, chaque atome possède un ensemble discret de niveaux d’énergie. Les électrons d'un atome situés dans l'état fondamental (état avec une énergie minimale), lorsqu'ils absorbent des quanta de lumière, se déplacent vers un niveau d'énergie plus élevé - l'atome est excité ; Lorsqu’un quantum de lumière est émis, c’est le contraire qui se produit. De plus, l'émission de lumière, c'est-à-dire la transition vers un niveau d'énergie inférieur (Fig. 1b), peut se produire spontanément (spontanément) ou sous l'influence d'un rayonnement externe (forcé) (Fig. 1c). De plus, si des quanta de rayonnement spontané sont émis dans des directions aléatoires, alors un quantum de rayonnement stimulé est émis dans la même direction que le quantum qui a provoqué ce rayonnement, c'est-à-dire que les deux quanta sont complètement identiques.

Fig.1 Types de rayonnement laser

Pour que les transitions dans lesquelles se produit une émission d'énergie (transitions d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur) prévalent, il est nécessaire de créer une concentration accrue d'atomes ou de molécules excités (pour créer une inversion de population). Cela entraînera une augmentation de la lumière incidente sur la substance. L'état d'une substance dans lequel une population inverse de niveaux d'énergie est créée est appelé actif, et un milieu constitué d'une telle substance est appelé milieu actif.

Le processus de création d’une population inverse de niveaux est appelé pompage. Et une autre classification des lasers est faite selon la méthode de pompage (optique, thermique, chimique, électrique, etc.). Les méthodes de pompage dépendent du type de laser (solide, liquide, gaz, semi-conducteur, etc.).
La tâche principale du processus de pompage peut être envisagée à l'aide de l'exemple d'un laser à trois niveaux (Fig. 2)

Fig. 2 schéma d'un laser à trois niveaux

Le niveau laser inférieur I avec l'énergie E1 est le niveau d'énergie principal du système, auquel se trouvent initialement tous les atomes actifs. Le pompage excite les atomes et, par conséquent, les transfère du niveau fondamental I au niveau III, avec l'énergie E3. Les atomes qui se trouvent au niveau III émettent des quanta de lumière et se déplacent vers le niveau I, ou se déplacent rapidement vers le niveau laser supérieur II. Pour que l’accumulation d’atomes excités se produise au niveau laser supérieur II, avec l’énergie E2, il est nécessaire d’avoir une relaxation rapide des atomes du niveau III au niveau II, qui doit dépasser le taux de désintégration du niveau laser supérieur II. La population inversée ainsi créée fournira les conditions nécessaires à l’amplification du rayonnement.

Cependant, pour que la génération ait lieu, il est encore nécessaire de fournir une rétroaction, c'est-à-dire que l'émission stimulée, une fois apparue, provoque de nouveaux actes d'émission stimulée. Pour créer un tel procédé, le milieu actif est placé dans un résonateur optique.

Un résonateur optique est un système de deux miroirs entre lesquels se trouve le milieu actif (Fig. 3). Il fournit de multiples origines d'ondes lumineuses se propageant le long de son axe à travers le milieu amplificateur, ce qui permet d'obtenir une puissance de rayonnement élevée.

Fig.3 Schéma laser

Lorsqu’une certaine puissance est atteinte, le rayonnement sort par un miroir translucide. En raison de la participation au développement de la génération uniquement de la partie des quanta parallèle à l'axe du résonateur, l'efficacité. lasers ne dépasse généralement pas 1%. Dans certains cas, en sacrifiant certaines caractéristiques, l'efficacité. peut être augmenté jusqu'à 30%.

Le schéma montre : 1 - milieu actif ; 2 - énergie de la pompe laser ; 3 - miroir opaque ; 4 - miroir translucide ; 5 - faisceau laser.

Tous les lasers se composent de trois parties principales :

environnement (de travail) actif ;

systèmes de pompage (source d'énergie);

résonateur optique (peut être absent si le laser fonctionne en mode amplificateur).

Chacun d’eux veille à ce que le laser remplisse ses fonctions spécifiques.

Environnement actif

Actuellement, divers états agrégés de la matière sont utilisés comme milieu de travail d'un laser : solide, liquide, gazeux, plasma. À l'état normal, le nombre d'atomes situés aux niveaux d'énergie excités est déterminé par la distribution de Boltzmann :

Ici N- le nombre d'atomes dans un état excité avec de l'énergie E, N 0 - nombre d'atomes dans l'état fondamental, k- constante de Boltzmann, T- Température de l'environnement. En d’autres termes, il y a moins d’atomes de ce type dans l’état excité que dans l’état fondamental, donc la probabilité qu’un photon se propageant à travers le milieu provoque une émission stimulée est également faible par rapport à la probabilité de son absorption. Ainsi, une onde électromagnétique, traversant une substance, dépense son énergie pour exciter les atomes. L’intensité du rayonnement diminue selon la loi de Bouguer :

Ici je 0 - intensité initiale, je l est l'intensité du rayonnement parcourant la distance je en matière un 1 est le taux d’absorption de la substance. La dépendance étant exponentielle, le rayonnement est absorbé très rapidement.

Dans le cas où le nombre d'atomes excités est supérieur à celui des atomes non excités (c'est-à-dire dans un état d'inversion de population), la situation est exactement le contraire. Les actes d'émission stimulée prévalent sur l'absorption, et le rayonnement augmente selon la loi :

Où un 2 - facteur de gain quantique. Dans les lasers réels, l'amplification se produit jusqu'à ce que la quantité d'énergie reçue en raison de l'émission stimulée devienne égale à la quantité d'énergie perdue dans le résonateur. Ces pertes sont liées à la saturation du niveau métastable de la substance active, après quoi l'énergie de pompage est utilisée uniquement pour la chauffer, ainsi qu'à la présence de nombreux autres facteurs (diffusion par inhomogénéités du milieu, absorption par impuretés, imperfection des miroirs réfléchissants, rayonnement utile et indésirable dans l'environnement, etc.).

Système de pompage

Divers mécanismes sont utilisés pour créer une inversion de population dans l’environnement laser. Dans les lasers à semi-conducteurs, le klaxon est obtenu grâce à l'irradiation de puissantes lampes flash à décharge de gaz, au rayonnement solaire focalisé (ce qu'on appelle le pompage optique) et au rayonnement d'autres lasers (en particulier les lasers à semi-conducteurs). Dans ce cas, le fonctionnement n'est possible qu'en mode pulsé, car des densités d'énergie de pompage très élevées sont nécessaires, qui, en cas d'exposition prolongée, provoquent un fort échauffement et la destruction de la tige de la substance active. Les lasers à gaz et à liquide utilisent le pompage par décharge électrique. De tels lasers fonctionnent en mode continu. Pompage lasers chimiques se produit par la survenue de réactions chimiques dans leur milieu actif. Dans ce cas, l'inversion de population se produit soit directement dans les produits de réaction, soit dans des impuretés spécialement introduites avec une structure de niveaux d'énergie appropriée. Le pompage des lasers à semi-conducteurs se produit sous l'influence d'un fort courant direct traversant la jonction p-n, ainsi que d'un faisceau d'électrons. Il existe d'autres méthodes de pompage (gaz-dynamique, qui implique un refroidissement brutal des gaz préchauffés ; photodissociation, cas particulier du pompage chimique, etc.).

Sur la figure : a - circuits de pompage à trois niveaux et b - à quatre niveaux pour le milieu actif laser.

Le système classique à trois niveaux pour pomper le fluide de travail est utilisé, par exemple, dans un laser à rubis. Le rubis est un cristal de corindon Al 2 O 3 dopé avec une petite quantité d'ions chrome Cr 3+, qui sont la source du rayonnement laser. En raison de l'influence du champ électrique du réseau cristallin du corindon, le niveau d'énergie externe du chrome E 2 est divisé (voir effet Stark). C'est ce qui permet d'utiliser un rayonnement non monochromatique comme pompage. Dans ce cas, l’atome passe de l’état fondamental avec de l’énergie E 0 enthousiasmé par l'énergie à propos E 2. Un atome peut rester dans cet état pendant un temps relativement court (environ 10−8 s) ; une transition non radiative vers le niveau se produit presque immédiatement. E 1, où un atome peut rester beaucoup plus longtemps (jusqu'à 10 −3 s), c'est ce qu'on appelle le niveau métastable. Il existe la possibilité d'un rayonnement induit sous l'influence d'autres photons aléatoires. Dès qu’il y a plus d’atomes dans un état métastable que dans l’état principal, le processus de génération commence.

Il est à noter que pour créer une inversion de population d'atomes de chrome Cr en utilisant le pompage directement à partir du niveau E 0 par niveau E 1 n’est pas possible. Cela est dû au fait que si l’absorption et l’émission stimulée se produisent entre deux niveaux, alors les deux processus se produisent au même rythme. Par conséquent, dans ce cas, le pompage ne peut égaliser que les populations de deux niveaux, ce qui n’est pas suffisant pour que le laser se produise.

Certains lasers, par exemple les lasers au néodyme, dans lesquels le rayonnement est généré à l'aide d'ions néodyme Nd 3+, utilisent un schéma de pompage à quatre niveaux. Ici entre métastable E 2 et niveau principal E 0 il existe un niveau intermédiaire - de travail E 1 . L'émission stimulée se produit lorsqu'un atome passe d'un niveau à l'autre. E 2 et E 1 . L'avantage de ce schéma est que dans ce cas, il est facile de satisfaire la condition d'inversion de population, puisque la durée de vie du niveau de fonctionnement supérieur est ( E 2) plusieurs ordres de grandeur plus longs que la durée de vie du niveau inférieur ( E 1). Cela réduit considérablement les exigences en matière de source de pompage. De plus, un tel schéma permet de créer des lasers de forte puissance fonctionnant en mode continu, ce qui est très important pour certaines applications. Cependant, de tels lasers présentent un inconvénient important sous la forme d'un faible rendement quantique, qui est défini comme le rapport entre l'énergie du photon émis et l'énergie du photon de pompe absorbé (quantique η = rayonnement hν / pompe hν).

Il est difficile de nos jours de trouver quelqu'un qui n'a jamais entendu le mot "laser", cependant, très peu de gens comprennent clairement de quoi il s’agit.

Au cours du demi-siècle qui s'est écoulé depuis leur invention, les lasers de différents types ont trouvé des applications dans un large éventail de domaines, de la médecine à la technologie numérique. Alors qu’est-ce qu’un laser, quel est son principe de fonctionnement et à quoi sert-il ?

Qu'est-ce qu'un laser ?

La possibilité de l'existence de lasers a été prédite par Albert Einstein, qui a publié en 1917 un article parlant de la possibilité pour les électrons d'émettre des quanta de lumière d'une certaine longueur. Ce phénomène a été appelé émission stimulée, mais il a longtemps été considéré comme irréalisable d'un point de vue technique.

Cependant, avec le développement des capacités techniques et technologiques, la création d'un laser est devenue une question de temps. En 1954, les scientifiques soviétiques N. Basov et A. Prokhorov ont reçu le prix Nobel pour avoir créé un maser, le premier générateur de micro-ondes fonctionnant à l'ammoniac. Et en 1960, l'Américain T. Maiman réalise le premier générateur quantique de faisceaux optiques, qu'il appelle laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). L'appareil convertit l'énergie en rayonnement optique à direction étroite, c'est-à-dire faisceau lumineux, un flux de quanta lumineux (photons) de forte concentration.

Principe de fonctionnement du laser

Le phénomène sur lequel repose le fonctionnement d’un laser est appelé rayonnement forcé, ou induit, du milieu. Les atomes d'une certaine substance peuvent émettre des photons sous l'influence d'autres photons, et l'énergie du photon agissant doit être égale à la différence entre les niveaux d'énergie de l'atome avant et après le rayonnement.

Le photon émis est cohérent avec celui qui a provoqué le rayonnement, c'est-à-dire exactement comme le premier photon. En conséquence, le faible flux lumineux dans le milieu est amplifié, et non de manière chaotique, mais dans une direction donnée. Un faisceau de rayonnement stimulé est formé, appelé laser.

Classement laser

Au fur et à mesure de l’étude de la nature et des propriétés des lasers, différents types de ces rayons ont été découverts. Selon l'état de la substance initiale, les lasers peuvent être :

• gaz;
• liquide;
• état solide;
• sur les électrons libres.

Actuellement, plusieurs méthodes ont été développées pour produire un faisceau laser :

• utiliser une lueur électrique ou une décharge d'arc dans un environnement gazeux - décharge de gaz ;
• en utilisant l'expansion des gaz chauds et la création d'inversions de population - dynamique gazeuse ;
• en faisant passer du courant à travers un semi-conducteur avec excitation du milieu - diode ou injection ;
• par pompage optique du milieu avec une lampe flash, LED, autre laser, etc. ;
• par pompage du milieu par faisceau d'électrons ;
• pompage nucléaire lorsque le rayonnement provient d'un réacteur nucléaire ;
• en utilisant des réactions chimiques spéciales - lasers chimiques.

Tous ont leurs propres caractéristiques et différences, grâce auxquelles ils sont utilisés dans divers domaines industriels.

Utilisation pratique des lasers

Aujourd'hui, des lasers de différents types sont utilisés dans des dizaines d'industries, de médecine, d'informatique et d'autres domaines d'activité. Avec leur aide, sont réalisées :

• découpe et soudage de métaux, plastiques et autres matériaux ;
• appliquer des images, des inscriptions et marquer la surface des produits ;
• perçage de trous ultra-fins, usinage de précision de pièces en cristal semi-conducteur ;
• formation de revêtements de produits par pulvérisation, surfaçage, alliage de surface, etc. ;
• transmission de paquets d'informations par fibre de verre;
• effectuer des opérations chirurgicales et d'autres interventions thérapeutiques ;
• procédures cosmétiques pour le rajeunissement de la peau, l'élimination des formations défectueuses, etc.;
• cibler différents types d’armes, des armes légères aux missiles ;
• création et utilisation de méthodes holographiques;
• application dans divers travaux de recherche;
• mesure des distances, des coordonnées, de la densité des fluides de travail, de la vitesse d'écoulement et de nombreux autres paramètres ;
• lancer des réactions chimiques pour réaliser divers processus technologiques.

Il existe de nombreux autres domaines dans lesquels les lasers sont déjà utilisés ou trouveront des applications dans un avenir très proche.