Le principe de fonctionnement de base d’un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) repose sur le phénomène d’émission stimulée de lumière. Grâce à une série de conceptions et de structures précises, les lasers génèrent des faisceaux avec une cohérence, une monochromaticité et une luminosité élevées. Les lasers sont largement utilisés dans la technologie moderne, notamment dans des domaines tels que la communication, la médecine, la fabrication, la mesure et la recherche scientifique. Leur rendement élevé et leurs caractéristiques de contrôle précises en font le composant central de nombreuses technologies. Vous trouverez ci-dessous une explication détaillée des principes de fonctionnement des lasers et des mécanismes des 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 lumière et la matière à l'état excité. Pour mieux comprendre l'émission stimulée, commençons par l'émission spontanée :
Émission spontanée: Dans les atomes, les molécules ou d'autres particules microscopiques, les électrons peuvent absorber de l'énergie externe (telle que l'énergie électrique ou optique) et passer à un niveau d'énergie plus élevé, appelé état excité. Cependant, les électrons à l’état excité sont instables et finiront par revenir à un niveau d’énergie inférieur, appelé 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 revenir à l'état fondamental tout en libérant un nouveau photon. Le nouveau photon est identique à l’original en termes de fréquence, de phase et de direction de propagation, ce qui donne une lumière cohérente. Ce phénomène amplifie considérablement le nombre et l’énergie des photons et constitue le mécanisme central des lasers.
Effet de rétroaction positive de l'émission stimulée: Dans la conception des lasers, le processus d'émission stimulée est répété plusieurs fois, et cet effet de rétroaction positive peut augmenter de façon exponentielle le nombre de photons. Grâce à une cavité résonante, la cohérence des photons est maintenue et l'intensité du faisceau lumineux est continuellement augmentée.
2. Gagnez moyen
Legain moyenest le matériau central du laser qui détermine l’amplification des photons et la sortie du 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 à gain doivent être excités à un niveau d'énergie plus élevé par une source d'énergie externe. Ce processus est généralement réalisé par des systèmes d'approvisionnement en énergie externes. Les mécanismes d’excitation courants comprennent :
Pompage électrique: Exciter les électrons dans le milieu à gain en appliquant un courant électrique.
Pompage optique: Exciter le milieu avec une source lumineuse (comme une lampe flash ou un autre laser).
Système de niveaux d'énergie: Les électrons dans le milieu à 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 reviennent 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, ce qui entraîne souvent une efficacité plus élevée.
Types de médias gagnants:
Moyen de gain de gaz: Par exemple, les lasers hélium-néon (He-Ne). Les milieux à gain de gaz sont connus pour leur sortie stable et leur longueur d’onde fixe, et sont largement utilisés comme sources lumineuses standard dans les laboratoires.
Moyen de gain de liquide: Par exemple, les lasers à colorant. Les molécules de colorant ont de bonnes propriétés d'excitation sur différentes longueurs d'onde, ce qui les rend idéales pour les lasers accordables.
Gain solide moyen: Par exemple, les lasers Nd (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme). Ces lasers sont très efficaces et puissants et sont largement utilisés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et médicales.
Moyen de gain de semi-conducteur: Par exemple, les matériaux à base d'arséniure de gallium (GaAs) sont largement utilisés dans les dispositifs de communication et optoélectroniques tels que les diodes laser.
3. Cavité du résonateur
Lecavité du résonateurest un composant structurel du laser utilisé pour la rétroaction et l’amplification. Sa fonction principale est d'augmenter le nombre de photons produits par émission stimulée en les réfléchissant 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 nom demiroir de sortie. Les photons se reflètent 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 par exemple garantir que les photons forment des ondes stationnaires à l'intérieur de la cavité. Cela nécessite que la longueur de la cavité soit un multiple de la longueur d'onde du laser. Seules les ondes lumineuses répondant à ces conditions peuvent être efficacement amplifiées à l’intérieur de la cavité.
Faisceau de sortie: Le miroir partiellement réfléchissant laisse passer une partie du faisceau lumineux amplifié, formant le faisceau de sortie du laser. Ce faisceau a une directivité, une cohérence et une monochromaticité élevées.
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Heure de publication : 18 septembre 2024