Le premier principe du laser, dont la physique était basée sur la loi du rayonnement de Planck, a été théoriquement étayé par Einstein en 1917. Il a décrit l'absorption, le rayonnement électromagnétique spontané et stimulé à l'aide de coefficients de probabilité (coefficients d'Einstein).
Pionniers
Theodor Meiman a été le premier à démontrer le principe de fonctionnement d'un laser à rubis basé sur le pompage optique de rubis synthétique avec une lampe flash, qui produisait un rayonnement cohérent pulsé d'une longueur d'onde de 694 nm.
En 1960, les scientifiques iraniens Javan et Bennett ont créé le premier générateur quantique de gaz en utilisant un mélange 1:10 de gaz He et Ne.
En 1962, RN Hall a fait la démonstration du premier laser à diode à l'arséniure de gallium (GaAs) émettant à une longueur d'onde de 850 nm. Plus tard cette année-là, Nick Golonyak a développé le premier générateur quantique de lumière visible à semi-conducteur.
Conception et principe de fonctionnement des lasers
Chaque système laser se compose d'un milieu actif placéentre une paire de miroirs optiquement parallèles et hautement réfléchissants, dont l'un est translucide, et une source d'énergie pour son pompage. Le milieu d'amplification peut être un solide, un liquide ou un gaz, qui a la propriété d'amplifier l'amplitude d'une onde lumineuse le traversant par émission stimulée par pompage électrique ou optique. Une substance est placée entre une paire de miroirs de manière à ce que la lumière qui y est réfléchie la traverse à chaque fois et, ayant atteint une amplification significative, pénètre dans un miroir translucide.
Environnements à deux niveaux
Considérons le principe de fonctionnement d'un laser à milieu actif dont les atomes n'ont que deux niveaux d'énergie: Mi excité2 et Mi basique1 . Si les atomes sont excités à l'état E2 par n'importe quel mécanisme de pompage (optique, décharge électrique, transmission de courant ou bombardement d'électrons), alors après quelques nanosecondes ils reviendront à la position du sol, émettant des photons d'énergie hν=Mi 2 - Mi1. Selon la théorie d'Einstein, l'émission se produit de deux manières différentes: soit elle est induite par un photon, soit elle se produit spontanément. Dans le premier cas, il y a émission stimulée, et dans le second, émission spontanée. À l'équilibre thermique, la probabilité d'émission stimulée est beaucoup plus faible que l'émission spontanée (1:1033), donc la plupart des sources lumineuses conventionnelles sont incohérentes et la génération laser est possible dans des conditions autres que thermiques équilibre.
Même avec de très fortespompage, la population des systèmes à deux niveaux ne peut être que rendue égale. Par conséquent, des systèmes à trois ou quatre niveaux sont nécessaires pour réaliser l'inversion de population par des méthodes de pompage optiques ou autres.
Systèmes à plusieurs niveaux
Quel est le principe du laser à trois niveaux ? L'irradiation avec une lumière intense de fréquence ν02 pompe un grand nombre d'atomes du niveau d'énergie le plus bas E0 au niveau d'énergie le plus élevé E 2. La transition non radiative des atomes de Mi2 à Mi1 établit une inversion de population entre Mi1 et Mi 0 , ce qui en pratique n'est possible que lorsque les atomes sont dans un état métastable depuis longtemps E1, et la transition de E2à E 1 va vite. Le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux est de remplir ces conditions, grâce auxquelles entre E0 et E1 une inversion de population est réalisée et les photons sont amplifiés par l'émission induite d'énergie E 1-E0. Un niveau plus large de E2 pourrait augmenter la plage d'absorption de longueur d'onde pour un pompage plus efficace, entraînant une augmentation de l'émission stimulée.
Le système à trois niveaux nécessite une puissance de pompage très élevée, car le niveau inférieur impliqué dans la génération est celui de base. Dans ce cas, pour que l'inversion de population se produise, plus de la moitié du nombre total d'atomes doit être pompée vers l'état E1. Ce faisant, l'énergie est gaspillée. La puissance de pompage peut être significativementdiminuer si le niveau de génération inférieur n'est pas celui de base, ce qui nécessite au moins un système à quatre niveaux.
Selon la nature de la substance active, les lasers sont divisés en trois catégories principales, à savoir les solides, les liquides et les gaz. Depuis 1958, date à laquelle l'effet laser a été observé pour la première fois dans un cristal de rubis, les scientifiques et les chercheurs ont étudié une grande variété de matériaux dans chaque catégorie.
Laser à semi-conducteurs
Le principe de fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un milieu actif, qui est formé en ajoutant un métal du groupe de transition au réseau cristallin isolant (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etc.), ions de terres rares (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etc.), et des actinides comme U+3. Les niveaux d'énergie des ions ne sont responsables que de la génération. Les propriétés physiques du matériau de base, telles que la conductivité thermique et la dilatation thermique, sont essentielles pour un fonctionnement efficace du laser. L'arrangement des atomes du réseau autour d'un ion dopé modifie ses niveaux d'énergie. Différentes longueurs d'onde de génération dans le milieu actif sont obtenues en dopant différents matériaux avec le même ion.
Laser holmium
Un exemple de laser à solide est un générateur quantique, dans lequel l'holmium remplace un atome de la substance de base du réseau cristallin. Ho:YAG est l'un des meilleurs matériaux de génération. Le principe de fonctionnement d'un laser holmium est que le grenat d'yttrium aluminium est dopé avec des ions holmium, pompé optiquement par une lampe flash et émet à une longueur d'onde de 2097 nm dans la gamme IR, qui est bien absorbée par les tissus. Ce laser est utilisé pour les opérations sur les articulations, dans le traitement des dents, pour l'évaporation des cellules cancéreuses, des reins et des calculs biliaires.
Générateur quantique à semi-conducteur
Les lasers à puits quantiques sont peu coûteux, peuvent être produits en masse et facilement évolutifs. Le principe de fonctionnement d'un laser à semi-conducteur est basé sur l'utilisation d'une diode à jonction p-n, qui produit de la lumière d'une certaine longueur d'onde par recombinaison de porteurs à polarisation positive, similaire aux LED. Les LED émettent spontanément et les diodes laser - forcées. Pour remplir la condition d'inversion de population, le courant de fonctionnement doit dépasser la valeur de seuil. Le milieu actif dans une diode à semi-conducteur a la forme d'une zone de connexion de deux couches bidimensionnelles.
Le principe de fonctionnement de ce type de laser est tel qu'aucun miroir externe n'est nécessaire pour maintenir les oscillations. La réflectivité créée par l'indice de réfraction des couches et la réflexion interne du milieu actif est suffisante à cet effet. Les surfaces d'extrémité des diodes sont ébréchées, ce qui garantit que les surfaces réfléchissantes sont parallèles.
Une connexion formée par des matériaux semi-conducteurs du même type est appelée homojonction, et une connexion créée par une connexion de deux matériaux différents est appeléehétérojonction.
Les semi-conducteurs de type P et n à haute densité de porteurs forment une jonction p-n avec une couche d'appauvrissement très fine (≈1 µm).
Laser à gaz
Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type de laser vous permettent de créer des appareils de presque toutes les puissances (des milliwatts aux mégawatts) et longueurs d'onde (de l'UV à l'IR) et vous permettent de travailler en mode pulsé et continu. En fonction de la nature des milieux actifs, il existe trois types de générateurs quantiques de gaz, à savoir atomique, ionique et moléculaire.
La plupart des lasers à gaz sont pompés avec une décharge électrique. Les électrons dans le tube à décharge sont accélérés par le champ électrique entre les électrodes. Ils entrent en collision avec des atomes, des ions ou des molécules du milieu actif et induisent une transition vers des niveaux d'énergie plus élevés pour atteindre un état de population d'inversion et d'émission stimulée.
Laser moléculaire
Le principe de fonctionnement d'un laser est basé sur le fait que, contrairement aux atomes et aux ions isolés, les molécules des générateurs quantiques d'atomes et d'ions ont de larges bandes d'énergie de niveaux d'énergie discrets. De plus, chaque niveau d'énergie électronique a un grand nombre de niveaux vibratoires, et ceux-ci, à leur tour, ont plusieurs niveaux de rotation.
L'énergie entre les niveaux d'énergie électronique se situe dans les régions UV et visible du spectre, tandis qu'entre les niveaux vibrationnel-rotationnel - dans l'IR lointain et prochedomaines. Ainsi, la plupart des générateurs quantiques moléculaires fonctionnent dans les régions de l'infrarouge lointain ou proche.
Lasers à excimère
Les excimères sont des molécules telles que ArF, KrF, XeCl, qui ont un état fondamental séparé et sont stables au premier niveau. Le principe de fonctionnement du laser est le suivant. En règle générale, le nombre de molécules à l'état fondamental est faible, de sorte qu'un pompage direct à partir de l'état fondamental n'est pas possible. Les molécules sont formées dans le premier état électronique excité en combinant des halogénures à haute énergie avec des gaz inertes. La population de l'inversion est facilement réalisée, car le nombre de molécules au niveau de la base est trop petit par rapport à celle excitée. Le principe de fonctionnement d'un laser, en bref, est la transition d'un état électronique excité lié à un état fondamental dissociatif. La population dans l'état fondamental reste toujours à un niveau bas, car les molécules à ce stade se dissocient en atomes.
Le dispositif et le principe de fonctionnement des lasers sont que le tube à décharge est rempli d'un mélange d'halogénure (F2) et de gaz de terre rare (Ar). Les électrons qu'il contient dissocient et ionisent les molécules d'halogénure et créent des ions chargés négativement. Les ions positifs Ar+ et négatifs F- réagissent et produisent des molécules ArF dans le premier état lié excité avec leur transition ultérieure vers l'état de base répulsif et la génération de rayonnement cohérent. Le laser excimer, dont nous étudions maintenant le principe de fonctionnement et d'application, peut être utilisé pour pompermilieu actif sur les colorants.
Laser liquide
Comparés aux solides, les liquides sont plus homogènes et ont une plus grande densité d'atomes actifs que les gaz. En plus de cela, ils sont faciles à fabriquer, permettent une dissipation thermique facile et peuvent être facilement remplacés. Le principe de fonctionnement du laser est d'utiliser des colorants organiques comme milieu actif, tels que le DCM (4-dicyanométhylène-2-méthyl-6-p-diméthylaminostyryl-4H-pyran), la rhodamine, le styryl, le LDS, la coumarine, le stilbène, etc…, dissous dans un solvant approprié. Une solution de molécules de colorant est excitée par un rayonnement dont la longueur d'onde a un bon coefficient d'absorption. Le principe de fonctionnement du laser, en bref, est de générer à une longueur d'onde plus longue, appelée fluorescence. La différence entre l'énergie absorbée et les photons émis est utilisée par les transitions d'énergie non radiatives et réchauffe le système.
La bande de fluorescence plus large des générateurs quantiques liquides a une caractéristique unique: le réglage de la longueur d'onde. Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type de laser comme source de lumière accordable et cohérente deviennent de plus en plus importants dans la spectroscopie, l'holographie et les applications biomédicales.
Récemment, des générateurs quantiques de colorants ont été utilisés pour la séparation des isotopes. Dans ce cas, le laser excite sélectivement l'un d'entre eux, les incitant à entrer dans une réaction chimique.
