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Fondamentalement, le pompage laser consiste à alimenter un milieu pour l'amener à émettre de la lumière laser. Ce procédé consiste généralement à injecter de la lumière ou un courant électrique dans le milieu, ce qui excite ses atomes et produit une 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 de débit, le pompage laser est fondamentalement un processus de mécanique quantique. Il implique 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 fine de ces interactions.
Le pompage laser est un processus par lequel de l'énergie, généralement sous forme de lumière ou de courant électrique, est fournie au milieu amplificateur d'un laser afin d'élever ses atomes ou molécules vers des états d'énergie plus élevés. Ce transfert d'énergie est crucial pour réaliser l'inversion de population, un état où davantage de particules sont excitées que dans un état d'énergie plus faible, permettant au milieu d'amplifier la lumière par émission stimulée. Ce processus implique des interactions quantiques complexes, souvent modélisées par des équations de taux ou des cadres de mécanique quantique plus avancés. Les aspects clés incluent le choix de la source de pompage (comme des diodes laser ou des lampes à décharge), la géométrie de la pompe (pompage latéral ou terminal) et l'optimisation des caractéristiques de la lumière de pompage (spectre, intensité, qualité du faisceau, polarisation) pour répondre aux exigences spécifiques du milieu amplificateur. Le pompage laser est fondamental dans divers types de lasers, notamment les lasers à solide, à semi-conducteur et à gaz, et est essentiel à leur bon fonctionnement.
Variétés de lasers à pompage optique
1. Lasers à semi-conducteurs avec isolants dopés
· Aperçu:Ces lasers utilisent un milieu hôte électriquement isolant et s'appuient sur le pompage optique pour exciter les ions actifs du laser. Le néodyme dans les lasers YAG en est un exemple courant.
·Recherches récentes :Une étude d'A. Antipov et al. porte sur un laser proche infrarouge à semi-conducteurs pour le pompage optique par échange de spin. Cette recherche met en lumière les avancées de la technologie des lasers à semi-conducteurs, notamment dans le spectre proche infrarouge, crucial pour des applications comme l'imagerie médicale et les télécommunications.
Lectures complémentaires :Un laser proche infrarouge à semi-conducteurs pour le pompage optique par échange de spin
2. Lasers à semi-conducteurs
·Informations générales : Généralement pompés électriquement, les lasers à semi-conducteurs peuvent également bénéficier du pompage optique, en particulier dans les applications nécessitant une luminosité élevée, telles que les lasers à cavité externe verticale émettant par la surface (VECSEL).
·Développements récents : Les travaux d'U. Keller sur les peignes de fréquences optiques issus de lasers ultrarapides à semi-conducteurs et à semi-conducteurs ouvrent des perspectives sur la génération de peignes de fréquences stables à partir de lasers à semi-conducteurs et à semi-conducteurs pompés par diodes. Cette avancée est significative pour les applications en métrologie de fréquence optique.
Lectures complémentaires :Peignes de fréquences optiques provenant de lasers ultrarapides à semi-conducteurs et à semi-conducteurs
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 utilisés dans des applications nécessitant des sources lumineuses cohérentes aux propriétés spécifiques.
Sources de pompage optique
Lampes à décharge:Fréquentes dans les lasers à pompage par lampe, les lampes à décharge 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 solide. Ce modèle permet d'optimiser les performances des lampes à pompage impulsionnel, essentielles au bon fonctionnement du laser.
Diodes laser:Utilisées dans les lasers pompés par diodes, les diodes laser offrent des avantages tels qu'une efficacité élevée, une taille compacte et la possibilité d'être réglées avec précision.
Lectures complémentaires :qu'est-ce qu'une diode laser ?
Lampes flashLes lampes flash sont des sources lumineuses intenses à large spectre, couramment utilisées pour le pompage des lasers à solide, tels que les lasers à rubis ou Nd:YAG. Elles produisent un jet lumineux 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 constante de lumière intense. 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 à faible consommation. Elles présentent l'avantage de leur longue durée de vie, de leur faible coût et de leur disponibilité dans différentes longueurs d'onde.
SoleilDans certaines configurations expérimentales, 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 que moins contrôlable et moins intense que les sources de lumière artificielle.
Diodes laser couplées à la fibreIl s'agit de diodes laser couplées à des fibres optiques, qui acheminent la lumière de pompage plus efficacement vers le milieu laser. Cette méthode est particulièrement utile dans les lasers à fibre et dans les situations où la précision de la distribution de la lumière de pompage est cruciale.
Autres lasersParfois, un laser est utilisé pour pomper un autre laser. Par exemple, un laser Nd:YAG à fréquence doublée peut être utilisé pour pomper un laser à colorant. Cette méthode est souvent utilisée lorsque des longueurs d'onde spécifiques sont requises pour le pompage, ce qui n'est pas facilement réalisable avec des sources lumineuses conventionnelles.
Laser à semi-conducteurs pompé par diode
Source d'énergie initiale:Le processus commence par un laser à diode, qui sert de source de pompage. Les lasers à diode sont choisis pour leur efficacité, leur compacité et leur capacité à émettre de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques.
Voyant de la pompe :La diode laser émet une lumière absorbée par le milieu amplificateur à semi-conducteurs. La longueur d'onde de la diode laser est adaptée aux caractéristiques d'absorption du milieu amplificateur.
à semi-conducteursGain moyen
Matériel:Le milieu de gain dans les lasers DPSS est généralement un matériau à l'état solide comme le Nd:YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme), le Nd:YVO4 (orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme) ou le Yb:YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé à l'ytterbium).
Dopage :Ces matériaux sont dopés avec des ions de terres rares (comme Nd ou Yb), qui sont les ions laser actifs.
Absorption et excitation d'énergie :Lorsque la lumière de pompage du laser à diode pénètre dans le milieu de gain, les ions de terres rares absorbent cette énergie et sont excités vers des états d'énergie plus élevés.
Inversion de population
Réaliser l'inversion de la population :La clé de l'action laser réside dans l'inversion de population du milieu amplificateur. Cela signifie qu'un plus grand nombre d'ions se trouvent dans un état excité que dans l'état fondamental.
Émission stimulée :Une fois l'inversion de population réalisée, l'introduction d'un photon correspondant à la différence d'énergie entre les états excité et fondamental peut stimuler les ions excités à revenir à l'état fondamental, émettant un photon dans le processus.
Résonateur optique
Miroirs : Le milieu de gain 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, tandis que l'autre est partiellement réfléchissant. Les photons rebondissent entre ces miroirs, stimulant ainsi davantage d'émissions et amplifiant la lumière.
Émission laser
Lumière cohérente : Les photons émis sont cohérents, ce qui signifie 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 le faisceau laser qui sort du laser DPSS.
Géométries de pompage : pompage latéral ou pompage latéral
| Méthode de pompage | Description | Applications | Avantages | Défis |
|---|---|---|---|---|
| Pompage latéral | Lumière de pompage introduite perpendiculairement au milieu laser | Lasers à tige ou à fibre | Répartition uniforme de la lumière de pompage, adaptée aux applications haute puissance | Distribution de gain non uniforme, qualité de faisceau inférieure |
| Pompage final | Lumière de pompage dirigée le long du même axe que le faisceau laser | Lasers à semi-conducteurs comme Nd:YAG | Distribution uniforme du gain, qualité de faisceau supérieure | Alignement complexe, dissipation thermique moins efficace dans les lasers de haute puissance |
Exigences pour un éclairage de pompe efficace
| Exigence | Importance | Impact/Équilibre | Notes supplémentaires |
|---|---|---|---|
| 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 efficace | - |
| 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'obtenir une inversion de population. | - |
| Qualité du faisceau | Particulièrement critique dans les lasers à pompage final | Assure un couplage efficace et contribue à la qualité du faisceau laser émis | Une qualité de faisceau élevée est cruciale pour un chevauchement précis de la lumière de pompage et du volume du mode laser |
| Polarisation | Requis 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 | De faibles niveaux de bruit sont essentiels | Les fluctuations de l'intensité lumineuse de la pompe peuvent affecter la qualité et la stabilité de la sortie laser | Important pour les applications nécessitant une stabilité et une précision élevées |
Date de publication : 01/12/2023