Quel est le principe et le fonctionnement des lasers ?

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À l'exception des lasers à électrons libres, le principe de fonctionnement de base de tous les types de lasers est le même. Les conditions essentielles pour la génération laser sont l'inversion du nombre de particules et un gain supérieur à la perte, de sorte que les composants essentiels de l'appareil comprennent une source d'excitation (ou de pompage) et un milieu de travail avec un niveau d'énergie métastable. L'excitation est l'excitation du milieu de travail à un état excité après absorption d'énergie externe, créant des conditions pour la réalisation et le maintien de l'inversion de population de particules. Les procédés d'excitation comprennent l'excitation optique, l'excitation électrique, l'excitation chimique et l'excitation par énergie nucléaire.

Le niveau d'énergie métastable du milieu de travail rend le rayonnement stimulé dominant, réalisant ainsi une amplification de la lumière. Le composant commun au laser est le résonateur, mais le résonateur (voir résonateur optique) n'est pas une partie essentielle. Le résonateur peut faire en sorte que les photons dans la cavité aient une fréquence, une phase et une direction de fonctionnement cohérentes, de sorte que le laser ait une bonne directionnalité et cohérence. De plus, il peut très bien raccourcir la longueur de la substance de travail et peut également ajuster le mode de la lumière laser générée en modifiant la longueur de la cavité résonnante (c'est-à-dire la sélection du mode), donc généralement les lasers ont une cavité résonnante.

Un laser se compose généralement de trois parties :

1. Substance de travail :le cœur du laser, seule la substance qui peut atteindre une transition de niveau d'énergie peut être utilisée comme substance de travail du laser.

2. Encourager l'énergie :Sa fonction est de donner de l'énergie à la substance de travail et d'exciter les atomes d'un niveau d'énergie faible à une énergie externe de niveau d'énergie élevé. Habituellement, il peut y avoir de l'énergie lumineuse, de l'énergie thermique, de l'énergie électrique, de l'énergie chimique, etc.

3. Cavité résonnante optique :La première fonction est de faire continuer le rayonnement stimulé de la substance active ; la seconde est d'accélérer en continu les photons ; le troisième est de limiter la direction de la sortie laser. Le résonateur optique le plus simple est constitué de deux miroirs parallèles placés aux deux extrémités d'un laser HeNe. Lorsque certains atomes de néon font la transition entre les deux niveaux d'énergie qui ont atteint l'inversion du nombre de particules et émettent des photons parallèlement à la direction du laser, ces photons seront réfléchis d'avant en arrière entre les deux miroirs, provoquant ainsi en continu un rayonnement stimulé, très rapidement un un laser assez puissant est produit.

La lumière pure et spectralement stable émise par les lasers peut être utilisée de plusieurs façons

Laser rubis :Le laser d'origine était un rubis excité par une ampoule lumineuse clignotante, et le laser produit était un "laser pulsé" plutôt qu'un faisceau continu et stable. La qualité de la vitesse de la lumière produite par ce laser est fondamentalement différente du laser produit par les diodes laser que nous utilisons aujourd'hui. Cette émission lumineuse intense, qui ne dure que quelques nanosecondes, est idéale pour capturer des objets facilement mobiles, comme des portraits holographiques de personnes. Le premier portrait au laser est né en 1967. Les lasers à rubis nécessitent des rubis coûteux et ne produisent que de brèves impulsions de lumière.

Laser He-Ne :En 1960, les scientifiques Ali Javan, William R.Brennet Jr. et Donald Herriot ont conçu le laser He-Ne. C'était le premier laser à gaz, un type d'équipement couramment utilisé par les photographes holographiques. Deux avantages : 1. Une sortie laser continue est générée ; 2. Aucune ampoule flash n'est nécessaire pour l'excitation lumineuse et le gaz est excité par l'électricité.

Diode laser:La diode laser est l'un des lasers les plus couramment utilisés à l'heure actuelle. Le phénomène de recombinaison spontanée des électrons et des trous de part et d'autre de la jonction PN de la diode pour émettre de la lumière est appelé émission spontanée. Lorsque les photons générés par émission spontanée traversent le semi-conducteur, une fois passés à proximité des paires électron-trou émises, ils peuvent être stimulés pour se recombiner pour générer de nouveaux photons, qui induisent la recombinaison de porteurs excités pour émettre de nouveaux photons Le phénomène est dit stimulé émission.

Si le courant injecté est suffisamment important, la distribution des porteurs opposée à l'état d'équilibre thermique se formera, c'est-à-dire que la population des particules sera inversée. Lorsqu'un grand nombre de porteurs dans la couche active sont inversés, une petite quantité de photons générés par un rayonnement spontané génère un rayonnement induit en raison de la réflexion réciproque aux deux extrémités du résonateur, ce qui entraîne une rétroaction positive de la résonance sélective en fréquence, ou un gain pour une certaine fréquence. Lorsque le gain est supérieur à la perte d'absorption, une lumière cohérente avec de bonnes raies spectrales peut être émise par la jonction PN-laser. L'invention des diodes laser a rendu les applications laser rapidement populaires, et diverses applications telles que la numérisation d'informations, la communication par fibre optique, la télémétrie laser, le radar laser, les disques laser, les pointeurs laser, la collecte des paiements dans les supermarchés, etc., sont constamment développées et popularisées.

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