Laser

LASER ( akronim od angielskiej wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisją promieniowania , co oznacza „amplifikacja światła poprzez wymuszoną emisją promieniowania”) jest fotonicznego systemu . Jest to urządzenie wytwarzające spójne przestrzennie i czasowo promieniowanie świetlne oparte na procesie emisji wymuszonej . Światło laserowe nazywane jest również światłem koherentnym . Wywodzący się z masera , laser został po raz pierwszy nazwany „maserem optycznym”.

Źródło laserowe łączy wzmacniacz optyczny z wnęką optyczną , zwaną również rezonatorem, zwykle składającą się z dwóch luster , z których co najmniej jedno odbija częściowo, to znaczy, że część światła wychodzi z wnęki, a druga część jest ponownie wstrzykiwana do wnęki lasera. W przypadku niektórych długich wnęk światło lasera może być niezwykle kierunkowe. Charakterystyki geometryczne tego zbioru wymagają, aby emitowane promieniowanie było wysokiej czystości widmowej, to znaczy spójne czasowo . Widmo promieniowania w rzeczywistości zawiera dyskretny zestaw bardzo cienkich linii o długości fali określonej przez wnękę i ośrodek wzmacniający. Dokładność tych linii jest jednak ograniczona stabilnością wnęki i spontaniczną emisją we wzmacniaczu (szum kwantowy). Różne techniki umożliwiają uzyskanie emisji wokół jednej długości fali.

W XXI XX wieku, laser jest zazwyczaj postrzegane jako możliwego źródła, każde promieniowanie elektromagnetyczne , który zawiera światło . Długości fal, o których mowa, były najpierw mikrofalami (maser), następnie rozprzestrzeniły się na domeny podczerwone , widzialne , ultrafioletowe , a nawet zaczęły być stosowane w promieniowaniu rentgenowskim .

Historia

Zasada emisji wymuszonej (lub emisji indukowanej) została opisana już w 1917 roku przez Alberta Einsteina . W 1950 roku Alfred Kastler (laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1966 ) zaproponował proces pompowania optycznego , który dwa lata później zwalidował eksperymentalnie z Brosselem i Winterem. Ale dopiero w 1953 roku pierwszy maser (na gaz amoniakalny ) został zaprojektowany przez JP Gordona, HJ Zeigera i Ch.H.Townesa . W kolejnych latach wielu naukowców, takich jak NG Bassov, Alexander Prochorov , Arthur Leonard Schawlow i Charles H. Townes, pomagało dostosować te teorie do długości fal widzialnych. Townes , Bassov i Prochorow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1964 roku za fundamentalną pracę w dziedzinie elektroniki kwantowej, która doprowadziła do zbudowania oscylatorów i wzmacniaczy wykorzystujących zasadę maser- lasera. W 1960 roku amerykański fizyk Théodore Maiman po raz pierwszy uzyskał emisję laserową przy użyciu kryształu rubinu . Rok później Ali Javan opracował laser gazowy ( helowy i neonowy ), a w 1966 roku Peter Sorokin zbudował pierwszy laser cieczowy.

Lasery bardzo wcześnie znalazły rynki przemysłowe. Pierwsze zastosowanie zostało zaprojektowane w 1965 roku i polegało na obróbce laserowego rubinu otworu o średnicy 4,7 mm i głębokości 2 mm w diamentie . Operacja ta trwała 15 minut, podczas gdy klasyczna aplikacja trwała 24 godziny.

W 1963 roku amerykańscy badacze, tacy jak White i Anderholm, wykazali, że możliwe jest wygenerowanie fali uderzeniowej wewnątrz metalu w wyniku napromieniowania impulsowego lasera. Wywierane naciski są rzędu 1 GPa lub 3 FP.

1967, Peter Holcroft cięcie 2,5 mm grubą płytę ze stali nierdzewnej, z prędkością 1 m / min , na tlen z 300 W CO 2 lasera i przeznaczone pierwszej głowicy tnącej.

Mimo, że procesy zostały zademonstrowane, należy poczekać na ich skojarzenie z odpowiednimi maszynami, aby były realizowane w środowisku przemysłowym. Warunki te zostały spełnione pod koniec lat siedemdziesiątych . A pierwsze platformy przemysłowe powstały we Francji w latach 80. Od tego czasu laser narzucił sobie rolę przemysłowego narzędzia produkcyjnego w mikroobróbki. Jej główne zalety to obróbka z dużą prędkością rzędu 10 m/min , bezdotykowa, bez zużycia narzędzi.

Laser stał się środkiem odczytu w 1974 roku , wraz z wprowadzeniem czytników kodów kreskowych . W 1978 r. wprowadzono dyski laserowe , ale dyski optyczne nie weszły do powszechnego użytku dopiero w 1982 r. wraz z dyskiem kompaktowym . Laser umożliwia wtedy odczyt dużej ilości danych.

Zasada działania

Zaangażowane zjawiska (jakościowe)

Aby zrozumieć, jak działa laser, konieczne jest wprowadzenie koncepcji kwantyfikacji materii : elektrony są rozłożone na dyskretnych poziomach energii („warstwach”). Ta hipoteza jest fundamentalna i nie intuicyjna : jeśli weźmiemy pod uwagę obraz, zgodnie z którym elektrony można znaleźć tylko na pewnych bardzo precyzyjnych orbitalach wokół jądra (a) atomowego .

Poniżej rozważymy atom mający tylko jeden elektron (wodór), aby uprościć dyskusję. Ten prawdopodobnie będzie na kilku poziomach. Znajomość poziomu, na którym znajduje się ten elektron, określa stan atomu . Stany te są ponumerowane w porządku rosnącym energii liczbą całkowitą , która może przyjmować wartości , ... Stan jest więc stanem o najniższej energii, odpowiadającym elektronowi na orbicie najbliżej jądra. $nie$ $1$ $2$ $n = 1$

Przejdźmy do głównych procesów interakcji między światłem a materią, a mianowicie absorpcji, emisji wymuszonej i emisji spontanicznej.

Absorpcji - gdy oświetlone promieniowaniem elektromagnetycznym (światło), atom może przejść z jednego stanu do stanu , poprzez odpowiednią energię na promieniowanie. Ten proces jest rezonansowy : częstotliwość promieniowania musi być zbliżona do częstotliwości atomowej Bohra, aby mogło wystąpić. Częstotliwości atomowe Bohra są określone przez , gdzie są energie stanów i . Proces ten można interpretować jako absorpcję fotonu promieniowania (energii ) powodującego przejście atomu z poziomu energetycznego na poziom energetyczny . Warunek rezonansu odpowiada wówczas zachowaniu energii . $nie$ ${\ styl wyświetlania n '> n}$ $\omega$ ${\ displaystyle \ hbar \ omega_ {nn '} = (E_ {n'} - E_n)}$ ${\ styl wyświetlania E_ {n '}> E_n}$ ${\ styl wyświetlania n '}$ $nie$ ${\ styl wyświetlania \ hbar \ omega = h \ nu}$ $W$ ${\ styl wyświetlania E_ {n '}}$

Emisja wymuszona – Atom w stanie może zostać „odenergetyzowany” do poziomu pod wpływem fali elektromagnetycznej, która następnie zostaje wzmocniona . Podobnie jak w przypadku absorpcji, proces ten jest możliwy tylko wtedy, gdy częstotliwość promieniowania jest zbliżona do częstotliwości Bohra . Można to interpretować jako emisję fotonu o energii, która jest „dodawana” do promieniowania. ${\ styl wyświetlania n '}$ $nie$ $\omega$ ${\ styl wyświetlania \ omega_ {nn '}}$ ${\ styl wyświetlania \ hbar \ omega}$

Emisja spontaniczna - Proces ten polega na absorpcji symetrycznej: atom w stanie wzbudzonym może zostać odwzbudzony do stanu , nawet przy braku promieniowania. Promieniowanie jest emitowane w losowym kierunku o losowej fazie, a jego częstotliwość jest równa częstotliwości Bohra . Proces ten można interpretować jako emisję fotonu energii w losowym kierunku. ${\ styl wyświetlania n '}$ $nie$ ${\ styl wyświetlania \ omega_ {nn '}}$ ${\ displaystyle \ hbar \ omega_ {nn '}}$

Inwersja populacji (jakościowa)

Rozważmy zbiór atomów na dwóch poziomach. Jeśli wyślemy pole na zbiór atomów w stanie „wysokim”, uprzywilejowanym zjawiskiem będzie emisja wymuszona i pole zostanie wzmocnione. Aby zrobić wzmacniacz optyczny, musimy zatem znaleźć sposób na wzbudzenie atomów do stanu wyższej energii. Mówiąc bardziej ogólnie, jeśli pewne atomy znajdują się w „niskim” stanie podstawowym, fotony mogą być również absorbowane, co zmniejsza intensywność pola. Wzmocnienie nastąpi tylko wtedy, gdy atomy będą liczniejsze, aby znajdować się w stanie „wysokim” (zdolnym do emisji) niż w stanie „niskim” (zdolnym do pochłaniania): konieczne jest posiadanie „ inwersji populacji ”.

Jednak w równowadze termodynamicznej najniższy stan jest zawsze najbardziej zaludniony. W najlepszym przypadku populacje oscylują między dwoma poziomami ( oscylacje Rabi ). Aby utrzymać inwersję populacji, konieczne jest ciągłe dostarczanie energii zewnętrznej do atomów, aby przywrócić do wyższego stanu te, które powróciły do stanu podstawowego po emisji wymuszonej: to jest „ pompowanie ”. Zewnętrzne źródła energii mogą być różnego rodzaju, na przykład generator elektryczny lub inny laser (pompowanie optyczne). Wzmacniacz jest więc zbiorem atomów lub cząsteczek, które za pomocą zewnętrznego źródła energii (pompowania) są zmuszane do przejścia ze stanu podstawowego lub słabo wzbudzonego do stanu silniej wzbudzonego . Atomy te mogą następnie rozładować się w kierunku stanu , emitując fotony o częstotliwości bliskiej . W ten sposób promieniowanie częstotliwości przechodzące przez to medium może być wzmacniane przez procesy emisji wymuszonej. $nie$ ${\ styl wyświetlania n '}$ $nie$ ${\ styl wyświetlania \ omega_ {nn '}}$ ${\ displaystyle \ omega \ simeq \ omega_ {nn '}}$

Fizyka efektu laserowego: interakcja światło/materia

Aby uzyskać szczegółowe równania efektu laserowego, a następnie samej wnęki laserowej, konieczne jest przywołanie fizyki kwantowej w sposób bardziej ilościowy. Istnieją zatem dwa stopnie kwantyfikacji w interakcji światło (wiązka lasera) / materia (atom wnęki), z których każdy zapewnia lepsze zrozumienie fizyki efektu laserowego:

model półklasyczny: kwantyfikacja atomów, ale klasyczne pole elektromagnetyczne dla światła;
model całkowicie kwantowy: kwantyfikacja atomów i światła ( druga kwantyfikacja ).

Interakcja półklasyczna: ogólne zrozumienie efektu laserowego

Sam model półklasyczny pozwala zrozumieć, skąd pochodzi efekt lasera i uzyskać „równania szybkości”, które rządzą populacjami atomów we wnęce lasera.

Kwantowany atom / klasyczne oddziaływanie pola

Przy kwantowaniu atomów konieczny jest formalizm mechaniki hamiltonowskiej . W przybliżeniu dwupoziomowego systemu energetycznego dla atomów, efekt zewnętrznego pola elektrycznego (światła, uważanego za pulsujący monochromatyczny ) składa się z oscylacji Rabiego atomów pomiędzy tymi dwoma poziomami. $\omega$

Te oscylacje generowane przez światło są bezpośrednią konsekwencją konkurencji między stymulowaną emisją a zjawiskiem absorpcji opisanym powyżej i są opisane przez prawdopodobieństwo przejścia atomu obecnego w czasie od czasu do czasu t: ${\ mathbf {r}} _ {0}$ ${\ styl wyświetlania E_1}$ $t_ {0}$ $E_2$

{\ displaystyle P_ {1 \ rightarrow 2} (t_0, t) = \ dfrac {\ Omega_1 ^ 2} {\ Omega_1 ^ 2 + \ delta ^ 2} \ grzech ^ 2 \ lewo [\ dfrac {\ Omega} {2 } (t-t_0) \ prawo]}

gdzie , z I, natężeniem padającego pola elektrycznego i d, wartością dipola atomowego; ${\ displaystyle \ Omega_1 ^ 2 = 2 \ po lewej (\ dfrac {d} {\ hbar} \ po prawej) ^ 2 ja (\ mathbf {r} _0)}$

i z ${\ styl wyświetlania \ delta = \ omega - \ omega_0}$ ${\ displaystyle \ hbar \ omega_0 = E_b - E_a}$

Tym samym ten półklasyczny model nie pozwala na uzyskanie inwersji populacyjnej niezbędnej dla efektu laserowego: te sinusoidalne oscylacje pokazują, że system „nie wybiera” między wymuszoną emisją a absorpcją.

Jeśli chcemy wyjaśnić efekt laserowy zachowując ten półklasyczny model, musimy zatem wprowadzić ad hoc emisję spontaniczną, której nie da się wyjaśnić bez drugiej kwantyzacji.

Zrozumienie zjawiska absorpcji (model Lamba ) Inwersja populacji

W przypadku wzoru przejściowym pomiędzy dwoma poziomami niskich i wysokich, odpowiednio oznaczone i populacji wysokiego stanu musi być wyższa niż w populacji ze stanu niskiego, tak że nie ma emisji: . $N_ {1}$ $N_ {2}$ ${\ styl wyświetlania N_1 \ leq N_2}$

Ewolucję populacji stanu wyższego określa prawo rozkładu wykładniczego: . ${\ displaystyle N_ {2} (t) = N_ {2, {\ tekst {początkowy}}} \ razy e ^ {- At}}$

W pełni kwantowa interakcja (druga kwantyzacja): subtelności efektu laserowego

Jak działa wnęka laserowa

Dla danego materiału różnica populacji między stanem wysokim a stanem niskim nadaje charakter medium ze względu na pompowanie optyczne : jeśli medium jest wzmacniaczem , jeśli medium jest chłonne , a w przypadku medium jest przezroczyste . . Laser låse tylko wtedy, gdy podłoże jest wzmacniacz . ${\ styl wyświetlania \ Delta N = N_2-N_1}$ ${\ styl wyświetlania \ Delta N> 0}$ ${\ styl wyświetlania \ Delta N <0}$ ${\ styl wyświetlania \ Delta N = 0}$

Zasada ogólna

Laser jest zatem zasadniczo wzmacniaczem światła , którego wyjście jest przesyłane z powrotem na wejście. Jej zasilanie jest źródłem pompowania, wyjściem jest promieniowanie laserowe, które jest ponownie wprowadzane na wejście przez zwierciadła wnęki rezonansowej, a mechanizmem wzmocnienia jest emisja wymuszona.

Możemy porównać ten proces do efektu Larsena , który występuje, gdy wzmacniacz ( stereo ) widzi swoje wyjście (głośnik) „podłączone” do wejścia (mikrofon). Najmniejszy dźwięk wychwycony przez mikrofon jest wzmacniany, emitowany przez głośnik, odbierany przez mikrofon, ponownie wzmacniany do momentu nasycenia systemu (kiedy ten ostatni zapewnia maksymalną możliwą energię dzięki swojej konstrukcji). W laserze ta maksymalna energia jest ograniczona mocą źródła pompującego i liczbą atomów, które mogą być jednocześnie wzbudzane.

W efekcie Larsena częstotliwość wytwarzanego dźwięku zależy od widma częstotliwości prawidłowo wzmacnianych przez wzmacniacz oraz od czasu przejścia dźwięku przez pętlę dźwiękową (co nie jest wartością unikatową, ponieważ lokalna indukuje różne odbicia i ścieżki dźwiękowe o różnej długości). W laserze dzieje się to samo, z wyjątkiem tego, że widmo wzmacniacza nie jest możliwie najbardziej płaskim zakresem, ale jest ograniczone do pasm częstotliwości odpowiadających poziomom wzbudzenia różnych obecnych atomów, a pętla odpowiada długości wnęki rezonansowej .

Stabilność wnęki laserowej: warunki wzmocnienia

Wzmocnienie lasera ze zwierciadłami oznaczane przez odpowiednie współczynniki odbicia zawierające materiał wzmacniacza pompowanego wzmocnieniem jest określone przez zmianę natężenia w iteracji wnęki po iteracji. Jeżeli w danym momencie natężenie w wnęce jest równe, to po jednym obrocie wnęki natężenie wynosi $NIE$ ${\ styl wyświetlania M_1, M_2, ..., M_N}$ ${\ styl wyświetlania R_1, R_2, ..., R_N}$ $sol$ $t_ {0}$ $ja_ {0}$ $I_ {1} = I_ {0} \ razy G \ razy \ prod _ {{j = 1}} ^ {n} R_ {j}$

Możemy wtedy wyróżnić 3 przypadki według wartości : $G \ razy \ prod _ {{j = 1}} ^ {n} R_ {j}$

Jeśli wtedy intensywność zmniejsza się z każdym obrotem wnęki lasera i nie ma emisji lasera $G \ razy \ prod _ {{j = 1}} ^ {n} R_ {j} <1$
Jeśli wtedy intensywność pozostaje stabilna, a oscylacja jest utrzymywana $G \ razy \ prod _ {{j = 1}} ^ {n} R_ {j} = 1$
Jeśli wtedy intensywność wzrasta aż do osiągnięcia wartości nasycenia. $G \ razy \ prod _ {{j = 1}} ^ {n} R_ {j}> 1$

Stabilność wnęki laserowej: warunki na froncie fali

Jama laser jest uważany za stabilny, jeśli czoła fali może rozprzestrzeniać bez zniekształceń. W przypadku wnęki laserowej z 2 lustrami warunki stabilności lasera są powiązane z odległością między lustrami wnęki w stosunku do promieni krzywizny 2 luster. Przez 2 lusterka z odpowiednich promieni krzywizny i z , dla Gaussa belki : $L$ ${\ styl wyświetlania R_ {c1}}$ ${\ styl wyświetlania R_ {c2}}$ ${\ styl wyświetlania R_ {c1} \ leq R_ {c2}}$

Wnęka jest stabilna, jeśli albo ${\ displaystyle 0 \ leq L \ leq R_ {c1}}$ ${\ displaystyle R_ {c2} \ leq L \ leq R_ {c1} + R_ {c2}}$
Jama jest niestabilna, jeśli lub ${\ styl wyświetlania W_ {c1} <L <W_ {c2}}$ ${\ styl wyświetlania L> W_ {c1} + W_ {c2}}$

Równania szybkości

Równania wskaźnika oznaczają odpowiednio równania zachowania populacji w stanie wysokim i niskim. Ustalają, że zmiana populacji stanu odpowiada różnicy między liczbą atomów, które dołączają do tego stanu, a liczbą atomów, które stan zmieniają.

W szczególnym przypadku systemu dwupoziomowego, dla dwóch stanów wysokiego i niskiego ( i ), biorąc pod uwagę termin prawdopodobieństwa emisji spontanicznej oraz składnik prawdopodobieństwa pompy, w którym oznacza sekcję oświetloną przez przepływ pompy i oznacza intensywność przepływ pompy, wtedy: $N_ {2}$ $N_ {1}$ $W$ ${\ styl wyświetlania \ sigma_p I_p}$ ${\ styl wyświetlania \ sigma_p}$ $I_p$

${\ displaystyle \ frac {d N_1} {dt} (t) = \ sigma_p I_p N_2 (t) + A N_2 (t) - \ sigma_p I_p N_1 (t)}$

i ${\ displaystyle \ frac {d N_2} {dt} (t) = - \ frac {d N_1} {dt} (t)}$

Laser stacjonarny (laser ciągły) Dynamika lasera (laser impulsowy) Opis statystyczny lasera

Rodzaje lasera

Lasery dzielą się na sześć rodzin, w zależności od natury wzbudzanego ośrodka. Co więcej, lasery mogą być zarówno ciągłe, jak i działać w reżimie impulsowym, w którym to przypadku można je również zakwalifikować na podstawie charakterystycznego czasu trwania ich impulsów (lasery ciągłe / lasery pikosekundowe / lasery femtosekundowe ).

Krystaliczny (do stałego lub jonowego)

Lasery te wykorzystują nośniki stałe, takie jak kryształy lub szkła, jako nośniki emisji fotonów. Kryształ lub szkło jest tylko matrycą i musi być domieszkowany jonem będącym ośrodkiem laserowym. Najstarszym jest laser rubinowy, którego emisja pochodzi z jonu Cr 3+ . Inne jony są szeroko stosowane (większość ziem rzadkich : między innymi Nd , Yb , Pr , Er , Tm ..., tytanu i chromu ). Długość fali emisyjnej lasera zależy głównie od jonu domieszkującego, ale ma to również wpływ na matrycę. Tak więc szkło domieszkowane neodymem nie emituje na tej samej długości fali (1053 nm ) co YAG domieszkowany neodymem (1064 nm ). Działają w sposób ciągły lub impulsowy (impulsy od kilku mikrosekund do kilku femtosekund — milionowej części miliardowej sekundy). Są w stanie emitować zarówno promienie widzialne, bliskie podczerwone, jak i ultrafioletowe .

Medium wzmacniającym może być pręt w przypadku lasera Nd-YAG (a więc domieszkowany Nd, a matrycą jest YAG: granat aluminiowo- itru ), ale może też mieć postać 'włókna w obudowa laserów światłowodowych (a więc domieszkowana Yb, a matryca wykonana jest z krzemionki). Obecnie najszerzej stosowanym medium wzmacniającym do generowania impulsów femtosekundowych jest szafir domieszkowany tytanem . Posiada dwa pasma absorpcji wyśrodkowane na 488 i 560 nm . Ma szerokie widmo emisyjne wyśrodkowane na 800 nm .

Poza wielkością kryształu o akceptowalnej jakości optycznej Lasery te umożliwiają uzyskanie mocy rzędu ciągłego kW i impulsowego GW. Wykorzystywane są zarówno do zastosowań naukowych, jak i przemysłowych, w szczególności do spawania, znakowania i cięcia materiałów.

Błonnik

Ten typ lasera wygląda jak laser stały. Tutaj medium wzmacniającym jest światłowód domieszkowany jonami ziem rzadkich . Otrzymana długość fali zależy od wybranego jonu (samaru 0,6 um ; iterb 1,05 um ; erb 1,55 um ; tul 1,94 um ; holm 2,1 um ). Ta technologia jest stosunkowo nowa (pierwsza pochodzi z 1964 r.), ale dziś istnieją lasery jednomodowe o mocy około dziesięciu kilowatów. Zaletą tych laserów jest to, że kosztują mniej, zajmują mniej miejsca i są odporne na wibracje. Ponadto nie jest konieczne ich chłodzenie poniżej 10 kW .

Barwione (molekularne)

W laserach ciekłych nośnikiem emisji jest barwnik organiczny ( na przykład rodamina 6G ) w ciekłym roztworze zamkniętym w szklanej fiolce. Emitowane promieniowanie może być ciągłe lub nieciągłe w zależności od trybu pompowania. Emitowane częstotliwości można regulować za pomocą pryzmatu regulacyjnego, co czyni tego typu urządzenie bardzo precyzyjnym. Wybór barwnika zasadniczo determinuje gamę barw emitowanego przez niego promienia. Dokładny kolor (długość fali) można regulować za pomocą filtrów optycznych.

Gaz (atomowy lub molekularny)

Ośrodek generujący fotony to gaz zawarty w rurce szklanej lub kwarcowej . Emitowana wiązka jest szczególnie wąska, a częstotliwość emisji bardzo mała. Najbardziej znanymi przykładami są lasery helowo-neonowe ( czerwone przy 632,8 nm ), stosowane w systemach osiowania (roboty publiczne, laboratoria) oraz lasery do pokazów.

Lasery na dwutlenek węgla mogą wytwarzać bardzo duże moce (działanie impulsowe) rzędu 106 W. Jest to najczęściej stosowane znakowanie laserowe na świecie. Laser CO 2 (10,6 µm podczerwień ) może być używany na przykład do grawerowania lub cięcia materiałów.

Istnieje również podrodzina laserów gazowych: lasery ekscymerowe emitujące w ultrafiolecie. W większości przypadków składają się one z co najmniej jednego gazu szlachetnego, a zwykle z gazu halogenowego.

Termin „excimer” pochodzi od angielskiego wzbudzonego dimeru, który oznacza wzbudzoną cząsteczkę złożoną z dwóch identycznych atomów (np.: Xe 2 ). Jednak niektóre tak zwane lasery ekscymerowe wykorzystują ekscypleksy, które są cząsteczkami złożonymi z dwóch różnych atomów (na przykład gazu szlachetnego i halogenu : ArF , XeCl ). Dlatego powinny być nazywane laserami exciplex, a nie laserami excimerowymi .

Wzbudzenie elektryczne mieszaniny wytwarza te cząsteczki ekscypleksu , które istnieją tylko w stanie wzbudzonym. Po emisji fotonu ekscypleks znika, ponieważ jego atomy rozdzielają się, więc foton nie może zostać ponownie zaabsorbowany przez niewzbudzony ekscymer, co zapewnia dobrą wydajność lasera.

Przykład: Lasik

Wreszcie źródłem promieniowania z tzw. laserów „chemicznych” jest reakcja, najczęściej egzotermiczna, emitująca promieniowanie elektromagnetyczne.

Przykład: CEWKA , Laser Miracl

Dioda laserowa

W diodzie laserowej (lub laserze półprzewodnikowym) pompowanie odbywa się za pomocą prądu elektrycznego, który z jednej strony wzbogaca ośrodek generujący w otworach (dziura to obszar kryształu z ładunkiem dodatnim, ponieważ brakuje w nim elektronu) i dodatkowe elektrony z drugiej. Światło powstaje na złączu przez rekombinację dziur i elektronów. Często ten typ lasera nie posiada zwierciadeł wnękowych: prosty fakt rozszczepienia półprzewodnika o wysokim współczynniku optycznym pozwala na uzyskanie współczynnika odbicia wystarczającego do wywołania efektu laserowego.

To właśnie ten typ lasera stanowi zdecydowaną większość (pod względem liczby i obrotów ) laserów stosowanych w przemyśle. Rzeczywiście, jego zalety są liczne: przede wszystkim umożliwia bezpośrednie sprzężenie energii elektrycznej i światła, stąd zastosowania w telekomunikacji (przy wejściu do sieci światłowodowych ). Ponadto ta konwersja energii odbywa się z dobrą wydajnością (rzędu 30 do 40%). Lasery te są niedrogie, bardzo kompaktowe (obszar aktywny jest mikrometryczny lub nawet mniejszy, a całe urządzenie ma wielkość rzędu milimetra). Obecnie znane jest wytwarzanie takich laserów w celu uzyskania światła w prawie całym zakresie widzialnym, ale lasery dostarczające światło czerwone lub bliską podczerwień pozostają najszerzej stosowanymi i najtańszymi. Ich obszary zastosowań są niezliczone: napędy optyczne (CD), telekomunikacja, drukarki, urządzenia „pompujące” do większych laserów (takich jak lasery półprzewodnikowe), wskaźniki itp. Należy pamiętać, że przepisy obowiązujące we Francji zabraniają produkcji oświetlenia powyżej 1000 metrów.

Mają jednak pewne wady, emitowane światło jest ogólnie mniej kierunkowe i mniej „czyste” spektralnie niż w przypadku innych typów laserów (w szczególności gazowych); nie stanowi to problemu w większości aplikacji.

Urządzeniem bardzo zbliżonym w działaniu, ale które nie jest laserem, jest dioda LED : urządzenie pompujące jest takie samo, ale wytwarzanie światła nie jest stymulowane , jest ono wytwarzane przez spontaniczne odwzbudzenie, dzięki czemu wytwarzane światło nie wykazują właściwości koherencji charakterystycznych dla lasera.

Wolny elektron (LEL)

Ten typ lasera jest bardzo wyjątkowy, ponieważ jego zasada jest zupełnie inna od opisanej powyżej. Światło nie jest tam wytwarzane przez wcześniej wzbudzone atomy, ale przez promieniowanie synchrotronowe wytwarzane przez przyspieszone elektrony. Wiązka elektronów pochodząca z akceleratora elektronów jest przesyłana do falownika wytwarzającego okresowe pole magnetyczne (dzięki zespołowi magnesów trwałych). Inwerter ten jest umieszczony pomiędzy dwoma lustrami, jak na schemacie konwencjonalnego lasera: promieniowanie synchrotronowe jest wzmacniane i staje się koherentne , czyli nabiera cech światła wytwarzanego w laserach.

Wystarczy dostosować prędkość elektronów, aby zapewnić bardzo precyzyjnie dostrojone światło o częstotliwości w bardzo szerokim zakresie, od dalekiej podczerwieni (teraherc) po promieniowanie rentgenowskie, a moc lasera można również regulować przepływem elektronów, aż do wysokich poziomów. Możliwe jest również uzyskanie krótkich i precyzyjnych impulsów laserowych. Wszystko to sprawia, że ten typ lasera jest bardzo wszechstronny i bardzo przydatny w zastosowaniach badawczych. Jest jednak droższy w produkcji, ponieważ konieczne jest zbudowanie akceleratora cząstek .

Teramobil

Laser teramobile to mobilne urządzenie, które zapewnia ultra-wydajne, ultrakrótkich impulsów laserowych. Laser teramobilny może być używany do wykrywania i pomiaru zanieczyszczeń powietrza lub do wystrzeliwania piorunów po prostej drodze.

bezpieczeństwo

W zależności od mocy i długości fali emisyjnej lasera może stanowić realne zagrożenie dla wzroku i powodować nieodwracalne oparzenia siatkówki . Ze względów bezpieczeństwa, francuskie prawo zabrania używania laserów klasy wyższej niż 2 poza listą określonych dozwolonych zastosowań.

Nowy standard:

Klasa 1: bezpieczne lasery, pod warunkiem, że są używane w rozsądnych przewidywalnych warunkach (przykłady: drukarki , napędy CD-ROM i DVD ).
Klasa 1M: lasery, których bezpośrednie widzenie w wiązce, w szczególności za pomocą przyrządów optycznych, może być niebezpieczne.
Klasa 1C: urządzenie laserowe przeznaczone do stosowania w kontakcie z zamierzonym celem, zabezpieczenia zapobiegające wydostawaniu się promieniowania. Laser zawarty w urządzeniu może jednak należeć do wyższej klasy. Celem może być ludzka skóra (przykład: depilator laserowy).
Klasa 2: lasery emitujące promieniowanie widzialne w zakresie długości od 400 do 700 nm . Ochronę oka zapewniają zwykle odruchy obronne, w tym odruch powiekowy, mruganie powiekami (np. czytniki kodów kreskowych ).
Klasa 2M: lasery emitujące promieniowanie widzialne w zakresie długości od 400 do 700 nm . Lasery, których bezpośrednie widzenie w wiązce, w szczególności przy użyciu przyrządów optycznych, może być niebezpieczne (przykłady: lupy i teleskopy ).
Klasa 3R: lasery, których bezpośrednia ekspozycja przekracza EMP (maksymalna dopuszczalna ekspozycja) dla oka, ale których poziom emisji jest ograniczony do pięciokrotności LEA (dostępny limit emisji) klas 1 i 2. Ekspozycja może być niebezpieczna dla ekspozycji oka w warunkach najbardziej niekorzystny stan.
Klasa 3B: laser, którego bezpośrednie widzenie wiązki jest zawsze niebezpieczne. Oglądanie rozproszonych odbić jest zwykle bezpieczne.
Klasa 4: lasery, które są również zdolne do wytwarzania niebezpiecznych odbić rozproszonych. Mogą powodować uszkodzenia skóry, a także mogą stanowić zagrożenie pożarowe. Ich użycie wymaga ekstremalnych środków ostrożności.

Klasy zostały określone zgodnie ze zmianami, które mogą powodować laser, różnią się one w zależności od częstotliwości lasera. Podczerwieni (IR IR B i C) i promieniowanie ultrafioletowe (UV), lasery spowodować uszkodzenie rogówki , soczewki lub powierzchowne uszkodzenia skóry, podczas gdy widoczne i w bliskiej podczerwieni (IR A) lasery mogą dotrzeć do siatkówki i skórę. " Tkankę podskórną .

W zakresie widzialnym dla lasera ciągłego klasy to:

Klasa 1: do 0,39 mW .
Klasa 2: od 0,39 mW do 1 mW .
Klasa 3R: od 1 do 5 mW .
Klasa 3B: od 5 do 500 mW .
Klasa 4: powyżej 500 mW .

Aplikacje

Zastosowania laserowe wykorzystują właściwości koherencji przestrzennej i czasowej lasera. Można je podzielić mniej więcej na podstawie odbicia lub absorpcji lasera. W ten sposób pojawiają się dwie duże rodziny, ta zawierająca aplikacje do przesyłania informacji i ta zajmująca się transferem mocy.

Transfer informacji

Holografia
Odczyt i zapis cyfrowych nośników optycznych ( CD , DVD , Laser Disc, itp.)
Elektrofotografia (lub „kserografia”), proces drukarek laserowych
Telekomunikacja przez sieci światłowodowe
Inter- satelitarnej transmisji
Laserowy oznacznik celów w atakach z użyciem amunicji kierowanej

Metrologia

Teledetekcja
Przyrząd optyczny kolimacji (przykład: teleskop Newtona)
Granulometria i prędkość
Pomiar odległości ( telemetria za pomocą interferometrii )
Wibrometria
Badanie atmosfery ( Lidar )
Metrologia częstotliwości optycznej
Charakterystyka materiałów metodą elipsometrii lub spektroskopii
Wizualizacja przepływu (tomografia laserowa)

Przenoszenie mocy

Chłodzenie laserowe atomów
Druk : offsetowe urządzenia do pisania płyt ( CtP )
Orbitalna elektrownia słoneczna
Bezprzewodowa transmisja mocy

Procesy i materiały laserowe

Połączenie powierzchni materiałów Surface
Spawanie materiału jednorodnego lub niejednorodnego
Odetnij
Wiercenie za pomocą udaru mechanicznego
Produkcja dodatkowa
Usuwanie powierzchni
Utwardzanie powierzchni
Wstrząs za pomocą ablacji laserowej (test adhezji na granicy materiałów niejednorodnych itp.)
Domieszkowanie laserem półprzewodnikowym

Interakcja laser/materia: zjawiska fizyczne

Aplikacje policyjne

Użyj do wykrywania ukrytych odcisków palców w kryminalistyce
Przenośny i autonomiczny prędkościomierz laserowy, który może wykrywać prędkość pojazdów w zakresie bezpieczeństwa ruchu drogowego

Artystyczny

Pokaz „ Dźwięk i światło ”
Harfa laserowa
Projekcja obrazu na ekranie w kinach cyfrowych

Uwagi i referencje

Aby zrozumieć, dlaczego masery są prekursorami laserów, możemy zapoznać się ze stroną Laser i maser Marie-Christine Artru z ENS Lyon.
Cagnac i Chareyron, 2017, Historia i zasada działania MASER i LASER
TH Maiman, Natura, 187 , 493 (1960)
(w) J. Wilson i JFB Hawkes, Zasady i zastosowanie lasera , International Series in Optoelectronics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 194.
(w) PA Hilton (2002), In the Beginning ... , Intnl Congress to jedna aplikacja Application of Lasers and Electro-Optics (ICALEO'2002) Scottdales, USA
B. Zawory, Lasery energetyczne , Hermes.
(w) Fizyka inżynierska w Książkach Google
(w) Rezonatory optyczne: podstawy, zaawansowane koncepcje, zastosowania w Google Books
(w) Podstawy lasera w Książkach Google
(w) Lasery: podstawy i zastosowania w Książkach Google
(w) SD Jackson i wsp., Przestrajalny laser szerokopasmowy Broadly Ho 3+ o dużej mocy z domieszką krzemionki, Electronics Letters, 40 (1), 2004, 1474 do 1475
Badanie i realizacja samopulsujących laserów światłowodowych opartych na absorberach nasyconych, Jean-Bernard Lecourt, praca doktorska na Uniwersytecie w Rouen ( czytaj online )
(en) Przykład lasera światłowodowego 50 kW , strona ipgphotonics.com
„ Rynek diod laserowych ” , Hanel Photonics (dostęp 26 września 2014 )
„Téramobile” wprowadza na rynek swoje eklery na stronie cnrs.fr
Dekret n o 2007-665 z dnia 2 maja 2007 w sprawie bezpieczeństwa urządzeń laserowych się na stronie legifrance.gouv.fr
Bezpieczeństwo wychodzących urządzeń laserowych: nowe przepisy od1 st lipca 2013, na stronie economie.gouv.fr firmy 1 st lipiec +2.013
(w) " Domieszkowanie laserowe dla mikroelektroniki i mikrotechnologii " , Applied Surface Science ,15 maja 2005 r., s. 537-544
(w) Chow RT, Johnson MI, Lopes-Martins RAB Bjordal JM, Skuteczność laseroterapii niskiego poziomu w leczeniu bólu szyi: przegląd systematyczny i metaanaliza randomizowanych badań kontrolowanych placebo lub aktywnym leczeniem , Lancet , 2009: 378; 1897-1908
(en) Dalrymple BE, Duff JM, Menzel ER. Nieodłączna luminescencja linii papilarnych - detekcja laserowa. Journal of Forensic Sciences, 22 (1), 1977, 106-115
(en) Dalrymple BE. Luminescencja widzialna i podczerwona w dokumentach: wzbudzanie laserem. Journal of Forensic Sciences, 28 (3), 1983, 692-696
Przenośny i autonomiczny kinemometr laserowy , na stronie sncb.orgorg

Załączniki

2-znakowe akronimy
3-znakowe akronimy
4-znakowe akronimy
► Akronimy składające się z 5 znaków
6-znakowe akronimy
7-znakowe akronimy
8-znakowe akronimy

Bibliografia

Nicolas Treps, Fabien Bretenaker, Laser: 50 lat odkryć , EDP Sciences , 2010.

Linki zewnętrzne

Animacja, aplikacje i badania związane z fizyką laserową i kwantową (Paris Sud University)
Popularyzacje dotyczące laserów
50 lat lasera w CNRS