9 types de laser : principes, faits (guide du débutant !)

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Qu'est-ce que la physique des lasers?

La physique des lasers ou science des lasers est une subdivision de l'optique qui traite de la théorie, du fonctionnement, de la construction et de la pratique des lasers. En termes exacts, la physique du laser est associée à la conception de la cavité optique, au développement temporel du champ lumineux (dans le laser), à l'électronique quantique, à l'optique non linéaire, à la construction du laser et à la physique derrière la génération d'une inversion de population dans les médias laser, laser propagation du faisceau.

Qui a jeté les bases de la physique des lasers?

  • En 1917, Monsieur Albert Einstein a jeté les bases d'un laser en dérivant la loi de rayonnement de Max Planck. Albert Einstein coefficients de probabilité formalisés sur l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée de rayonnement électromagnétique.
  • En l'an 1928, Rudolf W.Ladenburg définir l'existence d'une émission stimulée et Valentin A. Fabrikant fait la première proposition de laser (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) et énonce les conditions nécessaires pour amplifier la lumière avec émission stimulée en 1939.
  • RC Retherford et Willis E. Agneau observé et démontré l'émission stimulée dans les spectres d'hydrogène en 1947.
  • En 1952, Alexandre Prokhorov et Nikolaï Basov décrit les principes théoriques du fonctionnement d'un laser maser ou micro-ondes (Prokhorov et Basov ont reçu un prix Nobel pour leurs recherches dans le domaine de la physique des lasers).
  • En 1960, Théodore Maiman a construit le premier laser à impulsions rubis fonctionnel aux Hughes Research Laboratories.

Quel est le principe de fonctionnement de base d'un laser?

  • Les électrons résidant dans un niveau d'énergie inférieur ont tendance à absorber l'énergie lumineuse de l'extérieur sous la forme de photons ou de phonons pour atteindre le niveau d'énergie supérieur et l'énergie dans le photon ou phonon absorbé est égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux. Dans le cas de l'énergie lumineuse, cela signifie que certains atomes ne peuvent absorber qu'une longueur d'onde spécifique de la lumière pour une transition.
  • Après avoir atteint l'état supérieur excité, un électron ne peut pas y rester indéfiniment. Les électrons ont tendance à se désintégrer à un niveau d'énergie inférieur en perdant de l'énergie. Cette transition d'électrons se produit généralement à des intervalles de temps différents et émet de l'énergie sous forme de photons. L'ensemble de ce processus de transition électronique sans aucune interférence externe est appelé émission spontanée. En cela, l'électron émis a une direction et une phase aléatoires.
  • Parfois, les électrons sont soumis à une influence externe pour passer d'un état de haute énergie à un état de faible énergie. Dans ce cas, le photon émis pendant le processus de transition correspond à la direction, à l'angle de phase et à la longueur d'onde réels du photon. Ce processus d'émission de photons est appelé émission stimulée qui est utilisé dans les lasers pour en savoir plus sur ce sujet cliquez ici .
  • Chaque laser est conçu pour avoir un milieu de gain, qui amplifie le faisceau de photons émis, ce milieu de gain est contrôlé en termes de taille, concentration, pureté et forme et à un point après émission stimulée lorsque le non. d'électrons présents dans un niveau d'énergie excité est devenu supérieur au non. d'électrons disponibles dans le niveau d'énergie inférieur à cet état et, une inversion de population se produit et ici, le taux d'émission de photons stimulés dépasse le taux d'absorption d'énergie par les électrons. Par conséquent, la lumière ou les photons émis sont amplifiés. Ce processus est appelé amplification optique.
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Diagramme d'énergie d'émission stimulée.
Source de l'image: http://V1adis1av contribs) (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stimulated Emission.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode (physique des lasers)

Types de laser :

Laser à gaz:

Lasers à gaz (comme HeNe Laser ou CO2 Laser) utilisent des composés gazeux pour une amplification cohérente de la lumière. Des décharges gazeuses peuvent être réalisées pour amplifier différentes longueurs d'onde de lumière. Ces lasers sont largement utilisés à des fins de recherche et commerciales. Les lasers à dioxyde de carbone produisent un faisceau continu de lumière infrarouge à haute puissance ayant des bandes de longueurs d'onde principales allant de 9.6 à 10.6 micromètres. Ces lasers sont très écoénergétiques avec un rapport puissance de sortie / puissance de pompe pouvant atteindre 20%.

physique des lasers
Longueurs d'onde des lasers disponibles dans le commerce.
Source de l'image: Danh (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Commercial laser lines.svg), «Commercial laser lines», https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode (laser physique)

Laser excimer:

Utilisation des lasers à excimères lumière ultraviolette pour la production de dispositifs microélectroniques, de circuits intégrés à semi-conducteurs et de micro-machines. Les lasers à excimère (également connus sous le nom de laser exciplex) sont développés en utilisant des gaz nobles comme l'argon, le krypton ou le xénon ainsi que des gaz halogènes réactifs comme le fluor ou le chlore.

Laser chimique:

Les lasers chimiques fournissent l'énergie nécessaire à l'excitation d'électrons à partir de réactions chimiques. Ces lasers sont capables de produire de grandes quantités d'énergie en peu de temps et sont donc utilisés dans les lasers de forte puissance.

Laser à l'état solide:

Les lasers à semi-conducteurs utilisent un verre ou une tige cristalline dopée avec des ions pour permettre aux électrons d'atteindre les niveaux d'énergie requis. Le dopant est responsable du maintien de l'inversion de la population. Par exemple, le laser rubis.

Laser à fibre:

Les lasers à fibre optique utilisent la réflexion interne totale ou TIR pour transmettre des rayons lumineux à l'aide de fibres optiques. Ces lasers trouvent leur application dans la transmission de rayons lumineux sur de longues distances et dans la réduction de la distorsion thermique du faisceau laser.

Laser à cristal photonique:

Le laser à cristal photonique utilise des nanostructures pour fournir un confinement de mode.

Laser à semi-conducteur:

Les lasers à semi-conducteurs utilisent des diodes à semi-conducteurs pour le pompage électrique. L'énergie de recombinaison libérée est responsable du maintien du gain optique.

Laser à colorant:

Les lasers à colorant ont un colorant organique fonctionnant comme milieu de gain. Ces lasers peuvent fonctionner dans différentes longueurs d'onde lumineuses et peuvent produire des impulsions de courte durée.

Laser à électrons libres:

Les lasers à électrons libres offrent la gamme la plus large possible d'action laser. Ces lasers génèrent des faisceaux cohérents de haute puissance avec des rayonnements allant de l'infrarouge au visible.

Tailles laser
Dimensions du laser: Haut (laser microscopique) Bas (grand laser en verre) Source de l'image: anonyme, Tailles laser, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons(physique des lasers)

Pour en savoir plus sur les lasers excimer, visitez cliquez ici .

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