Le principe de travail de base d'un laser (amplification lumineuse par émission de rayonnement stimulée) est basée sur le phénomène d'émission de lumière stimulée. Grâce à une série de conceptions et de structures précises, les lasers génèrent des poutres avec une cohérence élevée, une monochromaticité et une luminosité. Les lasers sont largement utilisés dans la technologie moderne, y compris dans des domaines tels que la communication, la médecine, la fabrication, la mesure et la recherche scientifique. Leurs caractéristiques de contrôle élevé et de contrôle précise en font la composante centrale de nombreuses technologies. Vous trouverez ci-dessous une explication détaillée des principes de travail des lasers et des mécanismes de différents types de lasers.
1. Émission stimulée
Émission stimuléeest le principe fondamental de la génération laser, proposé pour la première fois par Einstein en 1917. Ce phénomène décrit comment des photons plus cohérents sont produits par l'interaction entre la matière légère et l'état excité. Pour mieux comprendre les émissions stimulées, commençons par des émissions spontanées:
Émission spontanée: Dans les atomes, les molécules ou d'autres particules microscopiques, les électrons peuvent absorber l'énergie externe (comme l'énergie électrique ou optique) et passer à un niveau d'énergie plus élevé, appelé l'état excité. Cependant, les électrons à l'état excité sont instables et reviendront éventuellement à un niveau d'énergie inférieur, connu sous le nom de l'état fondamental, après une courte période. Au cours de ce processus, l'électron libère un photon, qui est une émission spontanée. Ces photons sont aléatoires en termes de fréquence, de phase et de direction, et manquent donc de cohérence.
Émission stimulée: La clé de l'émission stimulée est que lorsqu'un électron à l'état excité rencontre un photon avec une énergie correspondant à son énergie de transition, le photon peut inciter l'électron à retourner à l'état fondamental tout en libérant un nouveau photon. Le nouveau photon est identique à celui d'origine en termes de fréquence, de phase et de direction de propagation, résultant en une lumière cohérente. Ce phénomène amplifie considérablement le nombre et l'énergie des photons et est le mécanisme central des lasers.
Effet de rétroaction positive de l'émission stimulée: Dans la conception des lasers, le processus d'émission stimulé est répété plusieurs fois, et cet effet de rétroaction positive peut augmenter de façon exponentielle le nombre de photons. À l'aide d'une cavité résonante, la cohérence des photons est maintenue et l'intensité du faisceau lumineux augmente en continu.
2. Gagnez le milieu
Legagnerest le matériau de base du laser qui détermine l'amplification des photons et la sortie laser. C'est la base physique de l'émission stimulée, et ses propriétés déterminent la fréquence, la longueur d'onde et la puissance de sortie du laser. Le type et les caractéristiques du milieu de gain affectent directement l'application et les performances du laser.
Mécanisme d'excitation: Les électrons dans le milieu de gain doivent être excités à un niveau d'énergie plus élevé par une source d'énergie externe. Ce processus est généralement réalisé par les systèmes d'alimentation énergétique externes. Les mécanismes d'excitation courants comprennent:
Pompage électrique: Excitant les électrons dans le milieu de gain en appliquant un courant électrique.
Pompage optique: Excitant le médium avec une source lumineuse (comme une lampe flash ou un autre laser).
Système de niveaux d'énergie: Les électrons dans le milieu de gain sont généralement distribués dans des niveaux d'énergie spécifiques. Les plus courants sontsystèmes à deux niveauxetSystèmes à quatre niveaux. Dans un système simple à deux niveaux, les électrons passent de l'état fondamental à l'état excité, puis retournent à l'état fondamental par émission stimulée. Dans un système à quatre niveaux, les électrons subissent des transitions plus complexes entre différents niveaux d'énergie, entraînant souvent une efficacité plus élevée.
Types de médias de gain:
Moyenne de gaz: Par exemple, lasers Helium-Neon (He-Ne). Les milieux de gain de gaz sont connus pour leur production stable et leur longueur d'onde fixe, et sont largement utilisés comme sources d'éclairage standard dans les laboratoires.
Gain liquide moyen: Par exemple, les lasers de teinture. Les molécules de colorant ont de bonnes propriétés d'excitation à travers différentes longueurs d'onde, ce qui les rend idéales pour les lasers accordables.
Moyen de gain solide: Par exemple, lasers Garnet en aluminium en aluminium Yttrium dopé au néodyme). Ces lasers sont très efficaces et puissants, et sont largement utilisés dans la coupe industrielle, le soudage et les applications médicales.
Gain semi-conducteur moyen: Par exemple, les matériaux de l'arséniure de gallium (GAAS) sont largement utilisés dans les dispositifs de communication et optoélectroniques tels que les diodes laser.
3. Cavité de résonateur
Lecavité de résonateurest un composant structurel du laser utilisé pour la rétroaction et l'amplification. Sa fonction centrale est d'améliorer le nombre de photons produits par émission stimulée en les reflétant et en les amplifiant à l'intérieur de la cavité, générant ainsi une sortie laser forte et focalisée.
Structure de la cavité du résonateur: Il se compose généralement de deux miroirs parallèles. L'un est un miroir entièrement réfléchissant, connu sous le nom derétroviseur, et l'autre est un miroir partiellement réfléchissant, connu sous le nommiroir de sortie. Les photons se reflètent dans les deux sens dans la cavité et sont amplifiés par interaction avec le milieu de gain.
Condition de résonance: La conception de la cavité du résonateur doit répondre à certaines conditions, comme garantir que les photons forment des ondes debout à l'intérieur de la cavité. Cela nécessite que la longueur de la cavité soit un multiple de la longueur d'onde laser. Seules les ondes légères qui remplissent ces conditions peuvent être efficacement amplifiées à l'intérieur de la cavité.
Faisceau de sortie: Le miroir partiellement réfléchissant permet à une partie du faisceau lumineux amplifié de passer, formant le faisceau de sortie du laser. Ce faisceau a une directionnalité, une cohérence et une monochromaticité élevées.
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