Abonnez-vous à nos réseaux sociaux pour être informé(e) rapidement des publications
Le pompage laser consiste essentiellement à exciter un milieu pour atteindre un état où il peut émettre de la lumière laser. On y parvient généralement en injectant de la lumière ou un courant électrique dans le milieu, ce qui excite ses atomes et provoque l'émission de lumière cohérente. Ce procédé fondamental a considérablement évolué depuis l'apparition des premiers lasers au milieu du XXe siècle.
Bien que souvent modélisé par des équations cinétiques, le pompage laser est fondamentalement un processus quantique. Il met en jeu des interactions complexes entre les photons et la structure atomique ou moléculaire du milieu amplificateur. Les modèles avancés prennent en compte des phénomènes tels que les oscillations de Rabi, qui permettent une compréhension plus nuancée de ces interactions.
Le pompage laser est un processus qui consiste à fournir de l'énergie, généralement sous forme de lumière ou de courant électrique, au milieu amplificateur d'un laser afin d'élever l'énergie de ses atomes ou molécules vers des états d'énergie supérieurs. Ce transfert d'énergie est crucial pour obtenir l'inversion de population, un état où davantage de particules sont excitées qu'à un état d'énergie inférieur, permettant ainsi au milieu d'amplifier la lumière par émission stimulée. Le processus met en jeu des interactions quantiques complexes, souvent modélisées par des équations cinétiques ou des cadres de mécanique quantique plus avancés. Les aspects clés comprennent le choix de la source de pompage (comme les diodes laser ou les lampes à décharge), la géométrie du pompage (pompage latéral ou axial) et l'optimisation des caractéristiques de la lumière de pompage (spectre, intensité, qualité du faisceau, polarisation) afin de répondre aux exigences spécifiques du milieu amplificateur. Le pompage laser est fondamental dans différents types de lasers, notamment les lasers à semi-conducteurs, à l'état solide et à gaz, et est essentiel à leur fonctionnement efficace.
Variétés de lasers à pompage optique
1. Lasers à semi-conducteurs avec isolants dopés
· Aperçu:Ces lasers utilisent un milieu hôte électriquement isolant et reposent sur le pompage optique pour exciter les ions actifs. Un exemple courant est celui du néodyme dans les lasers YAG.
·Recherches récentes :Une étude menée par A. Antipov et al. présente un laser à semi-conducteurs fonctionnant dans le proche infrarouge pour le pompage optique par échange de spin. Ces travaux mettent en lumière les progrès réalisés dans le domaine des lasers à semi-conducteurs, notamment dans le spectre du proche infrarouge, crucial pour des applications telles que l'imagerie médicale et les télécommunications.
Lectures complémentaires :Laser à semi-conducteurs proche infrarouge pour le pompage optique par échange de spin
2. Lasers à semi-conducteurs
·Informations générales : Les lasers à semi-conducteurs, généralement pompés électriquement, peuvent également bénéficier d’un pompage optique, notamment dans les applications nécessitant une forte luminosité, telles que les lasers à émission de surface par cavité externe verticale (VECSEL).
·Développements récents : Les travaux d’U. Keller sur les peignes de fréquences optiques issus de lasers à semi-conducteurs et à l’état solide ultrarapides apportent un éclairage nouveau sur la génération de peignes de fréquences stables à partir de lasers à semi-conducteurs et à l’état solide pompés par diodes. Cette avancée est significative pour les applications en métrologie des fréquences optiques.
Lectures complémentaires :Peignes de fréquences optiques issus de lasers à semi-conducteurs et à l'état solide ultrarapides
3. Lasers à gaz
·Pompage optique dans les lasers à gaz : Certains types de lasers à gaz, comme les lasers à vapeur alcaline, utilisent le pompage optique. Ces lasers sont souvent employés dans des applications nécessitant des sources de lumière cohérente aux propriétés spécifiques.
Sources de pompage optique
Lampes à déchargeLes lampes à décharge, courantes dans les lasers pompés par lampe, sont utilisées pour leur puissance élevée et leur large spectre. YA Mandryko et al. ont développé un modèle de puissance pour la génération de décharges d'arc impulsionnelles dans les lampes au xénon à pompage optique en milieu actif des lasers à semi-conducteurs. Ce modèle permet d'optimiser les performances des lampes de pompage impulsionnel, un facteur crucial pour un fonctionnement efficace du laser.
Diodes laser:Utilisées dans les lasers pompés par diodes, les diodes laser offrent des avantages tels qu'un rendement élevé, une taille compacte et la possibilité d'un réglage précis.
Pour en savoir plus :Qu'est-ce qu'une diode laser ?
Lampes flashLes lampes flash sont des sources de lumière intenses à large spectre couramment utilisées pour le pompage des lasers à semi-conducteurs, tels que les lasers rubis ou Nd:YAG. Elles produisent une impulsion lumineuse de haute intensité qui excite le milieu laser.
Lampes à arcSimilaires aux lampes flash, mais conçues pour un fonctionnement continu, les lampes à arc offrent une source de lumière intense et stable. Elles sont utilisées dans les applications nécessitant un fonctionnement laser à onde continue (CW).
LED (diodes électroluminescentes)Bien que moins courantes que les diodes laser, les LED peuvent être utilisées pour le pompage optique dans certaines applications basse consommation. Elles présentent l'avantage d'une longue durée de vie, d'un faible coût et d'une disponibilité en différentes longueurs d'onde.
SoleilDans certains dispositifs expérimentaux, la lumière solaire concentrée a été utilisée comme source de pompage pour les lasers à pompage solaire. Cette méthode exploite l'énergie solaire, ce qui en fait une source renouvelable et économique, bien qu'elle soit moins contrôlable et moins intense que les sources de lumière artificielle.
Diodes laser couplées à fibre optiqueIl s'agit de diodes laser couplées à des fibres optiques, qui acheminent la lumière de pompe plus efficacement vers le milieu laser. Cette méthode est particulièrement utile dans les lasers à fibre et dans les situations où une distribution précise de la lumière de pompe est essentielle.
Autres lasersIl arrive qu'un laser serve à pomper un autre. Par exemple, un laser Nd:YAG à fréquence doublée peut être utilisé pour pomper un laser à colorant. Cette méthode est souvent employée lorsque le processus de pompage requiert des longueurs d'onde spécifiques difficilement atteignables avec des sources lumineuses conventionnelles.
Laser à semi-conducteurs pompé par diode
Source d'énergie initialeLe procédé débute avec un laser à diode, qui sert de source de pompage. Les lasers à diode sont choisis pour leur efficacité, leur taille compacte et leur capacité à émettre de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques.
Lampe de pompe :Le laser à diode émet une lumière absorbée par le milieu amplificateur à semi-conducteurs. La longueur d'onde du laser à diode est adaptée aux caractéristiques d'absorption du milieu amplificateur.
à semi-conducteursGain moyen
Matériel:Le milieu amplificateur des lasers DPSS est généralement un matériau à l'état solide comme le Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme), le Nd:YVO4 (orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme) ou le Yb:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé à l'ytterbium).
Dopage :Ces matériaux sont dopés avec des ions de terres rares (comme le Nd ou l'Yb), qui sont les ions laser actifs.
Absorption et excitation de l'énergie :Lorsque la lumière de pompage du laser à diode pénètre dans le milieu amplificateur, les ions de terres rares absorbent cette énergie et sont excités vers des états d'énergie supérieurs.
Inversion de population
Réaliser l'inversion de population :Le principe de fonctionnement d'un laser repose sur l'inversion de population dans le milieu amplificateur. Cela signifie qu'il y a plus d'ions à l'état excité qu'à l'état fondamental.
Émission stimulée :Une fois l'inversion de population obtenue, l'introduction d'un photon correspondant à la différence d'énergie entre les états excité et fondamental peut stimuler les ions excités à retourner à l'état fondamental, en émettant un photon au cours du processus.
Résonateur optique
Miroirs : Le milieu amplificateur est placé à l'intérieur d'un résonateur optique, généralement formé de deux miroirs à chaque extrémité du milieu.
Rétroaction et amplification : L’un des miroirs est hautement réfléchissant, l’autre partiellement. Les photons rebondissent entre ces miroirs, stimulant ainsi de nouvelles émissions et amplifiant la lumière.
Émission laser
Lumière cohérente : les photons émis sont cohérents, c’est-à-dire qu’ils sont en phase et ont la même longueur d’onde.
Sortie : Le miroir partiellement réfléchissant laisse passer une partie de cette lumière, formant ainsi le faisceau laser qui sort du laser DPSS.
Géométries de pompage : pompage latéral vs pompage axial
| Méthode de pompage | Description | Applications | Avantages | Défis |
|---|---|---|---|---|
| Pompage latéral | Lumière de pompe introduite perpendiculairement au milieu laser | Lasers à tige ou à fibre | Distribution uniforme de la lumière de pompage, adaptée aux applications haute puissance | Distribution non uniforme du gain, qualité de faisceau inférieure |
| Fin du pompage | La lumière de pompe est dirigée selon le même axe que le faisceau laser. | Les lasers à semi-conducteurs comme le Nd:YAG | Distribution uniforme du gain, qualité de faisceau supérieure | Alignement complexe, dissipation thermique moins efficace dans les lasers de haute puissance |
Exigences pour une lampe à pompe efficace
| Exigence | Importance | Impact/Équilibre | Notes complémentaires |
|---|---|---|---|
| Adéquation du spectre | La longueur d'onde doit correspondre au spectre d'absorption du milieu laser. | Assure une absorption efficace et une inversion de population effective | - |
| Intensité | Doit être suffisamment élevé pour le niveau d'excitation souhaité | Des intensités trop élevées peuvent provoquer des dommages thermiques ; des intensités trop faibles ne permettront pas d’atteindre l’inversion de population. | - |
| Qualité du faisceau | Particulièrement critique dans les lasers à pompage axial | Assure un couplage efficace et contribue à la qualité du faisceau laser émis | Une qualité de faisceau élevée est cruciale pour un recouvrement précis du volume de la lumière de pompe et du mode laser. |
| Polarisation | Nécessaire pour les milieux aux propriétés anisotropes | Améliore l'efficacité d'absorption et peut affecter la polarisation de la lumière laser émise. | Un état de polarisation spécifique peut être nécessaire |
| Bruit d'intensité | Les faibles niveaux de bruit sont essentiels | Les fluctuations de l'intensité de la lumière de pompage peuvent affecter la qualité et la stabilité du faisceau laser. | Important pour les applications exigeant une stabilité et une précision élevées |
Date de publication : 1er décembre 2023