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Qu'est-ce qu'un milieu de gain laser ?
Un milieu amplificateur 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 en retournant à un état d'énergie plus faible. Ce processus amplifie la lumière traversant le milieu, ce qui est fondamental au fonctionnement du laser.
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Quel est le milieu de gain habituel ?
Le milieu de gain peut être varié, y comprisgaz, liquides (colorants), solides(cristaux ou verres dopés avec des ions de terres rares ou de métaux de transition) et semi-conducteurs.Lasers à solide, par exemple, utilisent souvent des cristaux comme le Nd:YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme) ou des verres dopés aux terres rares. Les lasers à colorant utilisent des colorants organiques dissous dans des solvants, tandis que 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 Nd (Néodyme), Er (Erbium) et Yb (Ytterbium) comme milieux de gain
concernent principalement leurs longueurs d'onde d'émission, leurs mécanismes de transfert d'énergie et leurs applications, en particulier 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 région sans danger pour les yeux et est 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 un large éventail d'applications, notamment les lasers et amplificateurs de forte puissance. L'ytterbium est souvent utilisé comme sensibilisateur de l'erbium afin d'améliorer l'efficacité des dispositifs dopés à l'erbium en transférant l'énergie de l'ytterbium vers l'erbium.
- Les matériaux dopés au Nd : Néodyme émettent généralement environ 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 :
- Codopage Er et Yb : Le codopage d'Er et d'Yb dans un milieu hôte est bénéfique pour améliorer l'émission dans la gamme 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, 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'erbium (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).
- Nd : Le Nd ne nécessite généralement pas de sensibilisateur comme l'Yb dans les systèmes dopés à l'erbium. Son efficacité découle 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, qui coïncide avec la fenêtre de perte minimale des fibres optiques en silice. Les milieux de gain dopés à l'erbium sont essentiels pour les amplificateurs optiques et les lasers des systèmes de communication par 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 des diodes et une puissance de sortie élevée. Les matériaux dopés à l'yttrium-yttrium sont également utilisés pour améliorer les performances des systèmes dopés à l'erbium.
- Sd: Adaptés 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 utilisant un milieu amplificateur à semi-conducteur (comme le Nd:YAG) pompé par une diode laser à semi-conducteur. Cette technologie permet de créer des lasers compacts et performants, capables de produire des faisceaux de haute qualité dans le spectre visible à infrarouge. Pour un article détaillé, vous pouvez consulter des bases de données scientifiques ou des éditeurs réputés pour des analyses complètes sur la technologie laser DPSS.
[Produit associé :Laser à semi-conducteurs pompé par diode]
Le Nd:YAG est souvent utilisé comme milieu de gain dans les modules laser pompés par semi-conducteur pour plusieurs raisons, comme le soulignent diverses études :
1. Haute efficacité et puissance de sortie:La conception et les simulations d'un module laser Nd:YAG à pompage latéral par diode ont démontré une efficacité significative, un laser Nd:YAG à pompage latéral par diode fournissant une puissance moyenne maximale de 220 W tout en maintenant une énergie constante par impulsion sur une large gamme de fréquences. Cela témoigne du rendement élevé et du potentiel de puissance élevée 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 l'œil, avec un rendement optique élevé. Cela démontre la polyvalence et la fiabilité du Nd:YAG comme milieu de gain dans différentes applications laser (Zhang et al., 2013).
3.Longévité et qualité du faisceau: Les recherches sur un laser Nd:YAG hautement efficace, pompé par diode, ont mis en évidence sa longévité et ses performances constantes, indiquant l'adéquation du Nd:YAG aux applications nécessitant des sources laser durables et fiables. L'étude a fait état d'un fonctionnement prolongé avec plus de 4,8 x 10^9 tirs sans dommage optique, conservant une excellente qualité de faisceau (Coyle et al., 2004).
4. Fonctionnement à onde continue hautement efficace :Des études ont démontré le fonctionnement hautement efficace en onde continue (CW) des lasers Nd:YAG, soulignant leur efficacité comme milieu de gain dans les systèmes laser pompés par diode. Cela inclut l'obtention de rendements de conversion optique et de pente élevés, attestant ainsi de l'adéquation du Nd:YAG aux applications laser à haut rendement (Zhu et al., 2013).
La combinaison d'une efficacité élevée, 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 privilégié dans les modules laser pompés par semi-conducteurs pour une large gamme d'applications.
Référence
Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). Laser compact, efficace et sans danger pour les yeux, à commutation Q à 1 525 nm, avec un cristal Nd:YVO4 à double extrémité lié par diffusion comme milieu auto-Raman. 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 comme milieu de gain laser prometteur de 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, et Butov, O. (2023). Modèle expérimental du milieu de gain Er/Yb pour amplificateurs à fibre et lasers. 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 céramique Nd:YAG haute efficacité, sans danger pour les yeux, fonctionnant à 1 442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.
Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). Laser Nd:YAG pompé par diode, efficace, fiable et à longue durée de vie, pour l'altimétrie topographique de la végétation depuis l'espace. Optique Appliquée, 43(27), 5236-5242.
Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). Lasers céramiques Nd:YAG à onde continue hautement efficaces à 946 nm. Laser Physics Letters, 10.
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Table des matières:
- 1. Qu'est-ce qu'un milieu de gain laser ?
- 2. Quel est le milieu de gain habituel ?
- 3. Différence entre nd, er et yb
- 4.Pourquoi avons-nous choisi Nd:Yag comme milieu de gain
- 5. Liste de références (lectures complémentaires)
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Date de publication : 13 mars 2024