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Qu'est-ce qu'un milieu amplificateur laser ?
Un milieu amplificateur laser est un matériau qui amplifie la lumière par émission stimulée. Lorsque les atomes ou molécules du milieu sont excités à des niveaux d'énergie supérieurs, ils peuvent émettre des photons d'une longueur d'onde spécifique en retournant à un état d'énergie inférieur. Ce processus amplifie la lumière traversant le milieu, ce qui est fondamental au fonctionnement du laser.
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Quel est le gain moyen habituel ?
Le milieu amplificateur peut être varié, notammentgaz, liquides (colorants), solides(cristaux ou verres dopés aux ions de terres rares ou de métaux de transition), et semi-conducteurs.Lasers à semi-conducteursPar exemple, on utilise souvent des cristaux comme le Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme) ou des verres dopés aux terres rares. Les lasers à colorant utilisent des colorants organiques dissous dans des solvants, et les lasers à gaz utilisent des gaz ou des mélanges de gaz.
Barres laser (de gauche à droite) : rubis, alexandrite, Er:YAG, Nd:YAG
Les différences entre le Nd (néodyme), l'Er (erbium) et l'Yb (ytterbium) en tant que milieux amplificateurs
principalement en ce qui concerne leurs longueurs d'onde d'émission, leurs mécanismes de transfert d'énergie et leurs applications, notamment dans le contexte des matériaux laser dopés.
Longueurs d'onde d'émission :
- Er : L'erbium émet généralement à 1,55 µm, ce qui se situe dans la zone de sécurité oculaire et est très utile pour les applications de télécommunications en raison de ses faibles pertes dans les fibres optiques (Gong et al., 2016).
L’ytterbium (Yb) émet généralement autour de 1,0 à 1,1 µm, ce qui le rend adapté à de nombreuses applications, notamment les lasers et amplificateurs de forte puissance. Il est souvent utilisé comme sensibilisateur pour l’erbium (Er) afin d’améliorer l’efficacité des dispositifs dopés à l’Er en transférant de l’énergie de l’Yb vers l’Er.
- Nd : Les matériaux dopés au néodyme émettent généralement autour de 1,06 µm. Le Nd:YAG, par exemple, est réputé pour son efficacité et est largement utilisé dans les lasers industriels et médicaux (Y. Chang et al., 2009).
Mécanismes de transfert d'énergie :
Co-dopage Er et Yb : Le co-dopage Er et Yb dans un milieu hôte est bénéfique pour améliorer l’émission dans la gamme 1,5-1,6 µm. L’Yb agit comme un sensibilisateur efficace pour l’Er en absorbant la lumière de pompe et en transférant de l’énergie aux ions Er, ce qui conduit à une émission amplifiée dans la bande des télécommunications. Ce transfert d’énergie est crucial pour le fonctionnement des amplificateurs à fibre dopée à l’Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).
- Nd : Contrairement à l'Yb dans les systèmes dopés à l'Er, le Nd ne nécessite généralement pas de sensibilisateur. Son efficacité repose sur l'absorption directe de la lumière de pompe et l'émission subséquente, ce qui en fait un milieu amplificateur laser simple et efficace.
Applications :
- Er:Principalement utilisé en télécommunications grâce à son émission à 1,55 µm, qui correspond à la fenêtre de pertes minimales des fibres optiques en silice, le milieu amplificateur dopé à l'erbium est essentiel aux amplificateurs optiques et aux lasers des systèmes de communication par fibre optique longue distance.
- Yb :Souvent utilisé dans les applications de forte puissance grâce à sa structure électronique relativement simple qui permet un pompage efficace des diodes et une puissance de sortie élevée, le dopage à l'ytterbium permet également d'améliorer les performances des systèmes dopés à l'erbium.
- NdParfaitement adaptés à une vaste gamme d'applications, de la découpe et du soudage industriels aux lasers médicaux, les lasers Nd:YAG sont particulièrement appréciés pour leur efficacité, leur puissance et leur polyvalence.
Pourquoi avons-nous choisi le Nd:YAG comme milieu amplificateur dans le laser DPSS ?
Un laser DPSS est un type de laser utilisant un milieu amplificateur à semi-conducteur (comme le Nd:YAG) pompé par une diode laser semi-conductrice. Cette technologie permet de réaliser des lasers compacts et performants, capables de produire des faisceaux de haute qualité dans le spectre visible et infrarouge. Pour un article plus détaillé, vous pouvez consulter des bases de données scientifiques ou des publications spécialisées reconnues, à la recherche d'études approfondies sur la technologie laser DPSS.
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Le laser Nd:YAG est souvent utilisé comme milieu amplificateur dans les modules laser pompés par semi-conducteurs pour plusieurs raisons, comme le soulignent diverses études :
1. Haute efficacité et puissance de sortieLa conception et les simulations d'un module laser Nd:YAG à pompage latéral par diode ont démontré une efficacité remarquable. Ce laser a ainsi fourni une puissance moyenne maximale de 220 W tout en maintenant une énergie constante par impulsion sur une large bande de fréquences. Ceci met en évidence le rendement élevé et le potentiel de puissance de sortie importante des lasers Nd:YAG pompés par diodes (Lera et al., 2016).
2. Flexibilité et fiabilité opérationnellesIl a été démontré que les céramiques Nd:YAG fonctionnent efficacement à différentes longueurs d'onde, y compris celles sans danger pour les yeux, avec un rendement optique élevé. Ceci témoigne de la polyvalence et de la fiabilité du Nd:YAG comme milieu amplificateur dans diverses applications laser (Zhang et al., 2013).
3. Longévité et qualité du faisceauDes recherches sur un laser Nd:YAG à pompage diode à haut rendement ont mis en évidence sa longévité et la constance de ses performances, démontrant ainsi son adéquation aux applications exigeant des sources laser durables et fiables. L'étude a rapporté un fonctionnement prolongé avec plus de 4,8 x 10⁹ tirs sans dommage optique, tout en conservant une excellente qualité de faisceau (Coyle et al., 2004).
4. Fonctionnement à onde continue hautement efficace :Des études ont démontré le fonctionnement en régime continu (CW) très efficace des lasers Nd:YAG, soulignant leur efficacité en tant que milieu amplificateur dans les systèmes laser pompés par diodes. Ceci inclut l'obtention de rendements de conversion optique et de rendements différentiels élevés, confirmant ainsi l'adéquation du Nd:YAG aux applications laser à haut rendement (Zhu et al., 2013).
La combinaison d'un rendement élevé, d'une puissance de sortie importante, d'une flexibilité opérationnelle, d'une fiabilité, d'une longévité et d'une excellente qualité de faisceau fait du Nd:YAG un milieu amplificateur privilégié dans les modules laser pompés par semi-conducteurs pour une large gamme d'applications.
Référence
Chang, Y., Su, K., Chang, H. et Chen, Y. (2009). Laser Q-switched compact et efficace, sans danger pour les yeux, à 1525 nm, avec un cristal Nd:YVO4 à double diffusion collé comme milieu Raman autonome. Optics Express, 17(6), 4330-4335.
Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., et Huang, Y. (2016). Croissance et propriétés spectroscopiques du cristal Er:Yb:KGd(PO3)_4 en tant que milieu amplificateur laser prometteur à 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Modèle expérimental du milieu amplificateur Er/Yb pour les amplificateurs et lasers à fibre. Journal of the Optical Society of America B.
Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J. et Roso, L. (2016). Simulations du profil de gain et des performances d'un laser QCW Nd:YAG pompé latéralement par diode. Optique appliquée, 55(33), 9573-9576.
Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X., & Li, P. (2013). Laser Nd:YAG céramique à haut rendement et sans danger pour les yeux fonctionnant à 1442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.
Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., et Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG pompé par diode efficace, fiable et à longue durée de vie pour l'altimétrie topographique de la végétation spatiale. Applied Optics, 43(27), 5236-5242.
Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). Lasers céramiques Nd:YAG à onde continue à haut rendement à 946 nm. Laser Physics Letters, 10.
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Table des matières:
- 1. Qu'est-ce qu'un milieu amplificateur laser ?
- 2. Quel est le moyen de gain habituel ?
- 3. Différence entre nd, er et yb
- 4. Pourquoi avons-nous choisi le laser Nd:YAG comme milieu amplificateur ?
- 5. Liste de références (Lectures complémentaires)
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Date de publication : 13 mars 2024