Actualités - Pourquoi utilisons-nous le cristal Nd : YAG comme milieu de gain dans le laser DPSS ?

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Qu'est-ce qu'un support à gain laser ?

Un milieu de gain laser est un matériau qui amplifie la lumière par émission stimulée. Lorsque les atomes ou les molécules du milieu sont excités à des niveaux d'énergie plus élevés, ils peuvent émettre des photons d'une longueur d'onde particulière lorsqu'ils reviennent à un état d'énergie plus faible. Ce processus amplifie la lumière traversant le support, ce qui est fondamental pour le fonctionnement du laser.

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Quel est le moyen de gain habituel ?

Le milieu de gain peut varier, y comprisgaz, liquides (colorants), solides(cristaux ou verres dopés aux ions de terres rares ou de métaux de transition) et semi-conducteurs.Lasers à semi-conducteurs, par exemple, utilisent souvent des cristaux comme le Nd:YAG (Grenat d'Yttrium et d'Aluminium dopé au Néodyme) ou des verres dopés aux éléments de 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.

Tiges laser (de gauche à droite) : Rubis, Alexandrite, Er:YAG, Nd:YAG

Les différences entre Nd (Néodyme), Er (Erbium) et Yb (Ytterbium) comme supports de gain

concernent principalement 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 pour les yeux et très utile pour les applications de télécommunications en raison de sa faible perte dans les fibres optiques (Gong et al., 2016).

- Yb : L'ytterbium émet souvent entre 1,0 et 1,1 µm, ce qui le rend adapté à une large gamme d'applications, notamment les lasers et amplificateurs de haute puissance. Yb est souvent utilisé comme sensibilisateur pour Er afin d'améliorer l'efficacité des dispositifs dopés à Er en transférant l'énergie de Yb à 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 de Er et Yb dans un milieu hôte est bénéfique pour améliorer l'émission dans la plage 1,5-1,6 µm. Yb agit comme un sensibilisateur efficace pour Er en absorbant la lumière de pompage et en transférant de l'énergie aux ions Er, conduisant 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 : Nd ne nécessite généralement pas de sensibilisateur comme Yb dans les systèmes dopés à l'Er. L'efficacité du Nd provient de son absorption directe de la lumière de pompage et de son émission ultérieure, ce qui en fait un milieu de gain laser simple et efficace.

Applications :

- Euh :Principalement utilisé dans les télécommunications en raison de son émission à 1,55 µm, ce qui coïncide avec la fenêtre de perte minimale des fibres optiques en silice. Les supports de gain dopés à l'Er sont essentiels pour les amplificateurs optiques et les lasers dans les systèmes de communication à fibre optique longue distance.

-Yb :Souvent utilisé dans les applications haute puissance en raison de sa structure électronique relativement simple qui permet un pompage efficace par diode et une puissance de sortie élevée. Des matériaux dopés à l'Yb sont également utilisés pour améliorer les performances des systèmes dopés à l'Er.

- Sd: Bien adapté à une large 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 Nd:YAG comme milieu de gain dans le laser DPSS

Un laser DPSS est un type de laser qui utilise un milieu de gain à l'état solide (comme le Nd : YAG) pompé par une diode laser à semi-conducteur. Cette technologie permet de créer des lasers compacts et efficaces capables de produire des faisceaux de haute qualité dans le spectre visible à infrarouge. Pour un article détaillé, vous pouvez envisager de rechercher dans des bases de données scientifiques ou des éditeurs réputés des critiques complètes sur la technologie laser DPSS.

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Le Nd:YAG est souvent utilisé comme milieu de gain dans les modules laser pompés par semi-conducteurs pour plusieurs raisons, comme le soulignent diverses études :

1. Haute efficacité et puissance de sortie: Une conception et des simulations d'un module laser Nd:YAG pompé côté diode ont démontré une efficacité significative, avec un laser Nd:YAG pompé côté diode fournissant une puissance moyenne maximale de 220 W tout en maintenant une énergie constante par impulsion dans une large plage de fréquences. Cela indique le rendement élevé et le potentiel de puissance élevée des lasers Nd:YAG lorsqu'ils sont pompés par des diodes (Lera et al., 2016).
2. Flexibilité opérationnelle et fiabilitéIl a été démontré que les céramiques Nd:YAG fonctionnent efficacement à diverses longueurs d'onde, y compris des longueurs d'onde sans danger pour les yeux, avec une efficacité optique-optique élevée. Cela démontre la polyvalence et la fiabilité du Nd:YAG en tant que moyen de gain dans différentes applications laser (Zhang et al., 2013).
3.Longévité et qualité du faisceau: La recherche sur un laser Nd:YAG hautement efficace, pompé par diode, a souligné sa longévité et ses performances constantes, indiquant l'adéquation du Nd:YAG aux applications nécessitant des sources laser durables et fiables. L'étude a rapporté un fonctionnement prolongé avec plus de 4,8 x 10 ^ 9 tirs sans dommage optique, tout en maintenant une excellente qualité de faisceau (Coyle et al., 2004).
4. Fonctionnement à ondes continues très efficace :Des études ont démontré le fonctionnement très efficace en onde continue (CW) des lasers Nd:YAG, soulignant leur efficacité en tant que milieu de gain dans les systèmes laser pompés par diode. Cela inclut l’obtention d’efficacités de conversion optique et d’efficacité de pente élevées, attestant en outre de l’adéquation du Nd:YAG pour les applications laser à haute efficacité (Zhu et al., 2013).

La combinaison d'un rendement élevé, d'une puissance de sortie, d'une flexibilité opérationnelle, d'une fiabilité, d'une longévité et d'une excellente qualité de faisceau fait du Nd:YAG un milieu de gain préféré 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 compact et efficace, sans danger pour les yeux, à commutation Q, à 1 525 nm, avec un cristal Nd:YVO4 lié par diffusion à double extrémité comme milieu auto-Raman. Optique 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 prometteur à gain laser de 155 µm. Matériaux optiques Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV et Butov, O. (2023). Modèle basé sur l'expérience du milieu de gain Er/Yb pour les amplificateurs à fibre et les lasers. Journal de la Société Optique d'Amérique B.

Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J., & 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 en céramique Nd:YAG à haute efficacité, sans danger pour les yeux, fonctionnant à 1442,8 nm. Lettres d'optique, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P. et Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG efficace, fiable et longue durée de vie, pompé par diode pour l'altimétrie topographique de la végétation spatiale. Optique appliquée, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D. et Duan, Y. (2013). Lasers céramiques Nd:YAG à ondes continues très efficaces à 946 nm. Lettres de physique des lasers, 10.

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