Principe et application du laser
Comment fonctionne le laser
Un laser est un appareil qui émet de la lumière laser. Selon le milieu de travail, le laser peut être divisé en quatre catégories: laser à gaz, laser solide, laser à semi-conducteur et laser à colorant. Récemment, des lasers à électrons libres ont été développés. Les lasers haute puissance sont généralement à sortie pulsée.
À l'exception des lasers à électrons libres, les principes de fonctionnement de base de divers lasers sont les mêmes. La condition indispensable pour générer la lumière laser est que l'inversion et le gain de population soient supérieurs à la perte, de sorte que les composants indispensables du dispositif sont la source d'excitation (ou de pompage) et le milieu de travail avec le niveau d'énergie métastable. L'excitation est l'excitation du milieu de travail pour exciter l'état excité, créant les conditions pour atteindre et maintenir l'inversion de population. Les méthodes d'incitation comprennent l'excitation optique, l'excitation électrique, l'excitation chimique et l'excitation d'énergie nucléaire.
Le niveau d'énergie métastable du milieu de travail est tel que le rayonnement stimulé domine, réalisant ainsi une amplification optique. Un composant commun d'un laser est une cavité résonnante, mais la cavité résonnante (voir cavité optique) n'est pas un composant indispensable. La cavité résonnante permet aux photons dans la cavité d'avoir une fréquence, une phase et une direction de déplacement cohérentes, permettant ainsi au laser d'avoir une bonne directionnalité et cohérence. De plus, il peut bien raccourcir la longueur de la substance de travail, et peut également ajuster le mode du laser généré en modifiant la longueur de la cavité (c'est-à-dire, la sélection de mode), de sorte que le laser a généralement une cavité résonnante.
Trois composants du laser
Tout d'abord, la substance de travail
Au cœur du laser, seules les substances qui peuvent réaliser des transitions de niveau d'énergie peuvent être utilisées comme substances de travail pour le laser.
Second, énergie incitative
Son rôle est de dynamiser la substance active, l'atome est excité du bas niveau d'énergie à l'énergie externe du haut niveau d'énergie. Il y a généralement de l'énergie lumineuse, de l'énergie thermique, de l'énergie électrique, de l'énergie chimique, etc.
Troisièmement, le rôle de la cavité optique:
Premièrement, le rayonnement stimulé de la substance de travail est effectué en continu;
Le second est d'accélérer constamment le photon;
Le troisième est de limiter la direction de la sortie laser.
La cavité optique la plus simple est constituée de deux miroirs parallèles placés aux extrémités du laser HeNe. Lorsque certains atomes de deutérium font la transition entre deux niveaux d'énergie qui réalisent une inversion des particules et émettent des photons parallèlement à la direction du laser, ces photons se refléteront entre les deux miroirs, provoquant ainsi constamment un rayonnement stimulé. Un laser très puissant est produit très rapidement.
La lumière pure et le spectre stable du laser peuvent être appliqués de nombreuses manières.
Laser rubis
Le laser original a été frotté par une ampoule flash brillante, et le laser produit était un laser pulsé&"GG"; plutôt qu'un faisceau continuellement stable. La qualité de la lumière produite par ce laser est essentiellement différente de celle du laser produit par la diode laser que nous utilisons aujourd'hui. Cette émission lumineuse intense, qui ne dure que quelques nanosecondes, est idéale pour capturer des objets faciles à déplacer, comme des portraits de portraits holographiques. Le premier portrait laser est né en 1967. Les lasers rubis nécessitent des rubis coûteux et ne peuvent produire que de courtes rafales de lumière.
Laser à l'hélium
En 1960, les scientifiques Ali Javan, William R. Brennet Jr. et Donald Herriot ont conçu le laser HeNe. Il s'agit du premier laser à gaz couramment utilisé par les photographes holographiques.
Deux avantages: 1. Produire une sortie laser continue; 2. Pas besoin d'ampoule flash pour effectuer une excitation lumineuse, mais utilisez du gaz d'excitation électrique.
Diode laser
La diode laser est l'un des lasers les plus couramment utilisés. Le phénomène de recombinaison spontanée d'électrons et de trous de part et d'autre de la jonction PN d'une diode est appelé émission spontanée. Lorsque les photons générés par émission spontanée passent à travers le semi-conducteur, une fois qu'ils passent à travers les paires électron-trou émises, ils peuvent être excités pour se recombiner pour produire de nouveaux photons, qui induisent les porteurs excités à se recombiner et à émettre de nouveaux photons. Le phénomène est appelé rayonnement stimulé.
Si le courant d'injection est suffisamment important, une distribution de porteurs opposée à l'état d'équilibre thermique est formée, c'est-à-dire que le nombre de population est inversé. Lorsque les porteurs dans la couche active sont dans un grand nombre d'inversion, une petite quantité de photons générés spontanément génère un rayonnement inductif en raison de la réflexion réciproque aux deux extrémités de la cavité résonnante, résultant en une rétroaction sélective de la résonance sélective en fréquence, ou gain pour une certaine fréquence. Lorsque le gain est supérieur à la perte d'absorption, une lumière cohérente avec une bonne raie spectrale, le laser, peut être émise à partir de la jonction PN. L'invention des diodes laser permet l'application rapide d'applications laser, de divers types de balayage d'informations, de communication par fibre optique, de télémétrie laser, de radar laser, de disques laser, de pointeurs laser, de collections de supermarchés, etc., et diverses applications sont continuellement développées et popularisées. .