LASER | Définition | Son fonctionnement | 4 Applications importantes

LASER

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Qu'est-ce qu'un laser?

LASER signifie «Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement«, Est un instrument dans lequel la lumière est émise par le processus d'amplification optique à travers l'émission stimulée de rayonnement électromagnétique. Le premier laser a été inventé et conçu par Theodore Maiman en 1960, La conception de cet instrument a été influencée par les travaux théoriques de Charles Hard Townes et Arthur Leonard Schawlow et La lumière émise par un laser est de nature cohérente, c'est-à-dire la phase- la différence est également constante. Cet appareil est utilisé pour une grande variété d'applications dans le domaine de la médecine, de la recherche, de la fabrication, de l'armée, etc.

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Source de l'image: 彭彭Module laserCC BY-SA 3.0

Qu'est-ce que l'émission stimulée?

Un électron présent occupant un état d'énergie inférieure absorbe une certaine énergie externe présente sous forme de lumière (photons) ou de chaleur (phonons) afin d'occuper un état d'énergie plus élevé et cette e- transition d'un état à un autre n'est possible que lorsque les énergies du photon ou du phonon est égal au diff d'énergie entre ces 2 états. Par conséquent, ces électrons ou atomes sont capables d'absorber uniquement une fréquence spécifique de lumière pour la transition.

Les électrons ne peuvent pas rester indéfiniment dans l'état excité supérieur. Ils ont tendance à revenir à leur état fondamental. Ces électrons sont parfois influencés de l'extérieur pour passer d'un état excité supérieur à un état excité inférieur ou à un état fondamental. Le photon émis après la transition haut-bas correspond au photon fourni de l'extérieur en termes de direction, phase et longueur d'onde. Ce processus de libération de photons est appelé émission stimulée et constitue la base du travail au laser.

Pour une émission stimulée, la première exigence est d'exciter les électrons ou les atomes à l'aide d'un milieu de gain, car dans un milieu normal le nombre d'atomes à l'état d'énergie inférieure est plus grand que dans les états d'énergie supérieure à la condition d'équilibre thermique. par conséquent, le taux d'absorption dépasse le taux d'émission stimulée dans les milieux normaux.

Démonstration d'émission stimulée, Source de l'image: V1adis1av contributions), Émission stimuléeCC BY-SA 4.0

Qu'est-ce qu'un Maser?

MASER ou "Amplification micro-ondes par émission stimulée de rayonnement«, Est un dispositif dans lequel une émission électromagnétique hyperfréquence cohérente est générée par amplification via un mode d'émission stimulée. Maser a inventé à l'Université de Columbia, en 1953, par le scientifique James P. Gordon, Charles H. Townes et Herbert J. Zeiger. Les masers ont leurs applications dans des appareils tels que les horloges atomiques et les radiotélescopes. Les masers peuvent également produire des radiations électromagnétiques appartenant à la gamme de la radio et de l'infrarouge.

Une décharge de radiofréquence d'hydrogène dans un maser à hydrogène. Source de l'image: Courtoisie NASA/JPL-Caltech
Maser d'hydrogène

Quelle est la différence entre un laser et un maser?

Laser vs Maser

LASERMASER
Cet instrument produit une émission électromagnétique cohérente sur une large gamme de fréquences (principalement la fréquence visible, UV et IR).Maser produit une émission électromagnétique cohérente dont la fréquence se situe dans la gamme des micro-ondes et des radiofréquences.
Cet instrument est utilisé pour une grande variété d'applications dans le domaine de la médecine, de la recherche, de la fabrication, de l'armée, etc.Cet instrument est principalement utilisé pour la communication par micro-ondes et dans plusieurs instruments astronomiques.
Cet instrument fonctionne généralement en excitant des atomes d'hélium, de néon, de dioxyde de carbone, etc.Cet instrument fonctionne généralement en excitant des atomes d'ammoniac, d'hydrogène, etc.

Qu'est-ce qu'un milieu amplificateur?

Dans les lasers, le milieu amplificateur ou milieu à gain optique est un matériau qui amplifie la puissance du faisceau lumineux généré. Le milieu de gain compense la perte de puissance due au résonateur. Le milieu de gain amplifie la lumière en absorbant de l'énergie par le biais du processus de pompage électrique (ou parfois de pompage optique). Le milieu de gain peut être de plusieurs types tels que Nd: YAG (grenat yttrium aluminium dopé néodyme Lasers YAG), Yb: milieu YAG (YAG dopé à l'ytterbium), arséniure de gallium, nitrure de gallium ou milieu semi-conducteur d'arséniure d'indium et de gallium, milieu de gain céramique, milieu de fibre optique, etc.

Comment fonctionne un laser?

Généralement, ces instruments contiennent un gain ou un milieu amplificateur, un mécanisme de pompage et un système pour fournir une rétroaction optique. Les lasers fonctionnent sur le principe de l'absorption photoélectrique et de l'émission stimulée. Ces instruments ont un milieu de gain qui peut être un matériau solide, liquide ou gazeux. Ce milieu reçoit l'énergie externe et la dirige vers les atomes ou électrons pour les exciter vers leurs états d'énergie supérieurs et ce matériau peut être ajusté en terme de forme et de taille, de concentration et de pureté.

L'inversion de population fait référence à l'état où le non de particule présente dans un état excité supérieur a dépassé le non de particule présente dans l'état d'excitation inférieure. Dans cet état, les taux d'émission de photons stimulés dépasseront le taux d'énergie absorbée par l'électron. Par conséquent, le faisceau lumineux émis sous forme de photons est amplifié.

Une cavité optique est présente à l'intérieur de l'appareil. Il s'agit principalement d'une paire de miroirs (également appelés coupleurs de sortie) présents de chaque côté du milieu de gain pour faire rebondir le faisceau lumineux d'avant en arrière à travers le milieu amplifié chaque fois qu'il frappe le miroir, et l'un des deux miroirs est partiellement transparent permettant à un peu de lumière de s'échapper à travers et si les miroirs présents sont incurvés alors la lumière sort sous la forme d'un faisceau étroit et si les miroirs sont plats alors le faisceau lumineux est étalé.

Descriptions des composants. : 1. Le Gainmedium. 2. L'énergie de pompage. 3. Le réflecteur haut. 4. Coupleur O / P. 5. le faisceau lumineux.
Source de l'image. Utilisateur: TatoutelaserCC BY-SA 3.0

Quels sont les deux modes de fonctionnement d'un laser?

Un faisceau lumineux cohérent peut être généré en mode pulsé ou en mode continu.

Fonctionnement en mode pulsé d'un laser:

En mode pulsé, la puissance optique suit le motif d'une impulsion et a un taux de répétition basé sur une certaine durée. Le mode pulsé est utilisé pour générer des impulsions de puissance élevée en abaissant le taux d'impulsions. Le processus d'ablation et de forage qui nécessitait des sorties de puissance élevée utilisait souvent le mode pulsé à la puissance d'impulsion de crête. Les processus qui nécessitent l'application d'effets optiques non linéaires utilisent le mode pulsé reposant sur la puissance ou l'énergie d'impulsion maximale. Parfois, l'amplification en mode continu ne peut pas être obtenue, le mode pulsé est donc utilisé.

Fonctionnement en mode continu d'un laser:

En mode continu, la puissance de sortie reste constante dans le temps. Dans ce mode, la variation de fréquence est négligeable et n'influence pas l'application laser. Ce mode nécessite une source de pompage stable pour que l'inversion de population du milieu amplificateur puisse être obtenue. Le pompage continu des lasers à des niveaux de puissance élevés peut endommager le laser en raison d'un échauffement excessif. Pour cette raison, le mode continu a un niveau de sortie de puissance limité. Ce mode est principalement utilisé à des fins expérimentales et médicales.

Quelles sont les applications des lasers?

Applications des lasers

Applications militaires du laser

Plusieurs types de lasers comme les lasers au dioxyde de carbone qui fonctionnent et émettent de la lumière infrarouge sont utilisés pour plusieurs applications militaires. L'atmosphère terrestre est comparativement plus transparente aux rayons infrarouges. Pour cette raison, de tels lasers s'avèrent efficaces pour la télémétrie militaire en utilisant des méthodes telles que le LIDAR (détection et télémétrie par la lumière). Le faisceau laser fournit des informations sur les distances de l'observateur et la position de la cible.

Applications médicales du laser

Lasers IR, Lasers Excimer utilisés dans le domaine médical.

Applications industrielles (découpe et soudage) du laser

Les lasers fournissent des faisceaux de haute puissance qui peuvent être efficaces pour plusieurs applications industrielles telles que le processus de soudage, le processus de gravure, le processus de grenaillage et de forage, la préparation de revêtement et la découpe au laser pour le processus de coupe de métal dur ou de verre, etc. nettoyage de surface qui consiste à éliminer les impuretés et les contaminants de la surface d'un matériau. Le CO2 utilisés pour la gravure sur matériaux et ces dispositifs sont également utilisés dans les procédés de fabrication sélective de SLS ou de frittage sélectif au laser.

Applications de recherche du laser

La procédure SILEX (séparation des isotopes par excitation laser) utilisée pour enrichir l'uranium implique également un laser IR, plusieurs autres applications importantes telles que la fabrication de dispositifs microfluidiques impliquent également l'utilisation de ces instruments car le poly (méthacrylate de méthyle) en plastique commun est un bon absorbant d'ondes IR.

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À propos de Sanchari Chakraborty

Je suis un apprenant passionné, actuellement investi dans le domaine de l'optique appliquée et de la photonique. Je suis également membre actif de SPIE (Société internationale pour l'optique et la photonique) et OSI (Optical Society of India). Mes articles visent à mettre en lumière des sujets de recherche scientifique de qualité d'une manière simple mais informative. La science évolue depuis des temps immémoriaux. Alors, j'essaie de ma part de puiser dans l'évolution et de la présenter aux lecteurs.

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