L'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, ou laser en bref, est un dispositif qui crée et amplifie un rayonnement électromagnétique d'une fréquence spécifique grâce à un processus d'émission stimulée. Au laser, tous les rayons lumineux ont la même longueur d’onde et ils sont cohérents ; ils peuvent parcourir de longues distances sans se diffuser.
Pour comprendre le fonctionnement des lasers, nous devons comprendre comment un atome émet de la lumière. Un atome est la plus petite particule du monde et contient des électrons. En introduisant des photons supplémentaires dans l’atome, les électrons sont forcés de passer à un niveau d’énergie plus élevé, et l’atome se trouve désormais dans un état excité. Cependant, l’atome excité est instable et les électrons tentent toujours de revenir à leur état fondamental, libérant ainsi l’excès d’énergie qu’ils avaient initialement gagné, sous forme de photon de rayonnement lumineux. Ce processus est appelé émission spontanée, comme le montre la figure ci-dessous. 1.
Le laser contient une chambre dans laquelle les atomes d'un milieu sont excités, amenant leurs électrons sur des orbites plus élevées avec des états d'énergie plus élevés. Lorsqu’un de ces électrons passe à un état d’énergie inférieur, il dégage son énergie supplémentaire sous forme de photon avec une fréquence spécifique. En introduisant plus de photons dans le système, les photons finiront par rencontrer un autre atome avec un électron excité, ce qui stimulera cet électron à revenir à son état d'origine, émettant deux photons ou plus avec la même fréquence que le premier et en phase avec lui. . Cet effet se propage à travers la chambre, stimulant constamment d'autres atomes pour qu'ils émettent des photons encore plus cohérents, et ce processus est appelé émissions stimulées. En d’autres termes, la lumière a été amplifiée, comme le montre la figure 2 ci-dessous.
De plus, des miroirs situés aux deux extrémités de la chambre font rebondir la lumière sur le support. L'un des miroirs est partiellement transparent, permettant au faisceau laser de sortir par cette extrémité de la chambre. En maintenant un nombre suffisant d'atomes dans le milieu par une source d'énergie externe dans un état d'énergie supérieur, les émissions sont continuellement stimulées, et ce processus est appelé inversion de population. En fin de compte, cela crée un flux de photons cohérents qui est un faisceau très concentré de lumière laser puissante. Les lasers ont de nombreuses utilisations industrielles, militaires et scientifiques, notamment le soudage, la détection de cibles, la photographie microscopique, la fibre optique, la chirurgie, etc.
Types de lasers :
Il existe de nombreux types de lasers et vous trouverez ci-dessous les cinq principaux types.
1. Lasers à gaz – ex. Laser à gaz HeNe et lasers CO2 qui émettent des centaines de watts de puissance. Ils sont généralement utilisés pour le découpage et le soudage dans les industries.
2. Lasers chimiques – alimentés par une réaction chimique qui permet de produire une grande quantité d’énergie, principalement à usage militaire et de très haute longueur d’onde. Ex. Laser au fluorure d'hydrogène 2700nm.
3. Lasers à semi-conducteurs – pompés optiquement grâce à l’utilisation d’un milieu solide dopé, tel que du cristal ou du verre dopé aux ions. Un exemple serait un pointeur laser.
4. Lasers à fibre – la lumière est guidée grâce à la réflexion interne dans la fibre optique. Ils sont aujourd’hui largement connus pour leur puissance de sortie élevée, leur haute qualité optique ainsi que leur longue durée de vie. La raison est due aux propriétés des fibres qui confèrent un rapport surface/volume élevé, ce qui permet un refroidissement efficace tout en supportant des kilowatts de puissance de sortie continue. Les propriétés de guidage d'onde de la fibre aident à maintenir la force du signal et à minimiser la distorsion. Les lasers à fibre sont aujourd’hui largement utilisés pour les télécommunications qui s’étendent sur des régions de plusieurs kilomètres de long.
5. Lasers à semi-conducteurs – pompés électriquement
a) Diodes électroluminescentes (DEL) - Dans une diode formée à partir d'un semi-conducteur à bande interdite directe, tel que l'arséniure de gallium, les porteurs qui traversent la jonction émettent des photons lorsqu'ils se recombinent avec le porteur majoritaire de l'autre côté. Selon le matériau, des longueurs d'onde (ou couleurs) allant de l'infrarouge au proche ultraviolet peuvent être produites. Toutes les LED produisent une lumière incohérente à spectre étroit. Les LED peuvent également être utilisées comme photodiodes à faible rendement dans les applications de signaux. Une LED peut être associée à une photodiode ou à un phototransistor dans le même boîtier, pour former un opto-isolateur.
b) Diodes laser - Lorsqu'une structure de type LED est contenue dans une cavité résonante formée par polissage des faces d'extrémité parallèles, un laser peut être formé. Les diodes laser sont couramment utilisées dans les dispositifs de stockage optique et pour les communications optiques à haut débit.
La diode laser est un laser dont le milieu est un semi-conducteur, formé par une jonction pn, comme le montre la figure 3, et alimenté par un courant électrique. Pour les différents types de structures de diodes laser, veuillez vous référer à l'annexe 3. Fondamentalement, une diode laser est une combinaison d'une puce semi-conductrice qui émet une lumière cohérente et d'une puce photodiode de moniteur pour le contrôle par rétroaction de la puissance de sortie, dans un boîtier hermétiquement emballé et scellé.
Les matériaux semi-conducteurs utilisés aujourd'hui pour créer des diodes à jonction PN qui émettent de la lumière sont : l'arséniure de gallium, le phosphure d'indium, l'antimonide de gallium et le nitrure de gallium. La raison pour laquelle ils sont utilisés est due aux trois à cinq propriétés des composés figurant dans le tableau périodique chimique. Les matériaux doivent être fortement dopés pour créer des régions P – N, ce qui exclut les autres, laissant les groupes trois à cinq comme options idéales.
Leurs longueurs d'onde peuvent être ajustées en modifiant le rapport de composition. Par exemple, la longueur d'onde du faisceau laser produit par le substrat InP peut être augmentée en augmentant la teneur en indium ou en diminuant le pourcentage de teneur en phosphate. Une longueur d’onde plus longue indique généralement une distance de déplacement plus longue.
Selon Wikipédia, les diodes laser sont numériquement le type de laser le plus courant, avec des ventes en 2004 d'environ 733 millions de lasers à diode, contre 131 000 d'autres types de lasers. Les diodes laser sont largement utilisées dans les télécommunications en tant que sources lumineuses facilement modulables et facilement couplées pour la communication par fibre optique.
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