Le principe des lasers repose sur l'émission stimulée, un concept proposé pour la première fois par Einstein au début du XXe siècle. Le processus principal est le suivant :
- Transition électronique : les atomes ou les molécules dans le milieu de travail gagnent de l'énergie sous l'influence d'une source de pompe (telle que l'énergie électrique, l'énergie lumineuse, etc.), passant d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé, entrant dans un état excité. Parce que le niveau d’énergie élevé est instable, les atomes ou les molécules reviennent spontanément au niveau d’énergie faible, libérant ainsi des photons.
- Réflexion dans la cavité résonante : ces photons se réfléchissent d'avant en arrière dans la cavité résonante, interagissant avec d'autres atomes ou molécules à l'état excité dans le milieu de travail, déclenchant une émission plus stimulée. Cela provoque une augmentation brusque du nombre de photons, ce qui entraîne une lumière laser de haute intensité, hautement monochromatique et extrêmement directionnelle.
Le laser se compose principalement de trois parties : le milieu de travail, la source de pompe et la cavité résonante.
- Milieu de travail : C'est le fondement de la génération laser. Il est composé d'un milieu actif qui permet l'inversion de population, comme le rubis, le verre néodyme ou le dioxyde de carbone.
- Source de pompe : fournit de l'énergie au fluide de travail, induisant une émission stimulée. Les méthodes courantes incluent l’excitation électrique et l’excitation optique.
- Cavité résonante : composée de miroirs à réflexion interne totale et de miroirs à réflexion interne partielle, elle fournit une rétroaction et un environnement oscillant pour les photons, leur permettant de voyager plusieurs fois dans la cavité, améliorant ainsi l'effet d'émission stimulée et formant finalement une sortie laser.
La principale différence entre les lasers monomodes et multimodes réside dans le nombre de modes dans le faisceau de sortie.
- Laser monomode : ne prend en charge qu'un seul mode de propagation de la lumière. Il présente une qualité de faisceau élevée, une bonne directivité et cohérence, un spot de faisceau circulaire standard et un petit angle de divergence. Il convient aux applications de haute précision telles que les interféromètres laser et la communication par fibre optique.
- Laser multimode : prend en charge plusieurs modes de propagation de la lumière. Il présente un grand angle de divergence du faisceau de sortie, une forme de faisceau et une distribution d'intensité complexes, ainsi qu'une longueur de cohérence plus courte, mais une puissance de sortie élevée. Il convient aux applications moins exigeantes telles que le traitement des matériaux et l'éclairage laser.
Les lasers sont appelés faisceaux gaussiens car leur répartition d'intensité sur leur section transversale se conforme approximativement à une fonction gaussienne, ce qui signifie que l'intensité est élevée au centre et diminue progressivement vers les bords, présentant une courbe en forme de cloche.
Cette caractéristique de répartition provient de l'auto-reproductibilité du laser lors de sa formation au sein de la cavité résonante ; même après diffraction et propagation, sa distribution d'intensité conserve une forme gaussienne. Les faisceaux gaussiens possèdent d'excellentes performances de focalisation et une monochromaticité, réduisant efficacement la compétition de modes et améliorant la qualité du faisceau, ce qui les rend largement utilisés dans la conception de systèmes optiques, le traitement laser et d'autres domaines.
Classification des lasers Les lasers peuvent être classés de plusieurs manières, dont l'une selon le milieu de travail :
- Lasers à semi-conducteurs : ils utilisent des matériaux solides comme milieu de travail, tels que les lasers à grenat d'aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG). Ces lasers ont généralement une puissance de sortie élevée et une bonne stabilité et sont largement utilisés dans le traitement industriel, la médecine et la recherche scientifique.
- Lasers à gaz : ils utilisent des gaz comme fluide de travail, tels que les lasers à hélium-néon (He-Ne) et les lasers à dioxyde de carbone (CO2). Les lasers à gaz ont de nombreuses applications dans les régions spectrales visible et infrarouge.
- Lasers liquides : également appelés lasers à colorant, ils utilisent des solutions de colorants organiques comme milieu de travail. Leur accordabilité en longueur d'onde leur confère des avantages uniques dans la recherche scientifique et la biomédecine.
- Lasers à semi-conducteurs : ils utilisent des matériaux semi-conducteurs comme support de travail, tels que des diodes laser. Ces lasers offrent des avantages en termes de miniaturisation et d'intégration et sont largement utilisés dans les communications optiques, l'impression laser et d'autres domaines.
- Lasers à électrons libres : ils utilisent des faisceaux d'électrons libres à grande vitesse comme milieu de travail. Ils offrent une large gamme de puissances de sortie et de longueurs d’onde, ce qui les rend adaptés à la physique des hautes énergies et à la spectroscopie des rayons X.
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