Principe de fonctionnement et application du laser à semi-conducteurs

Laser solideest un laser qui utilise un matériau laser solide comme substance de travail. Le laser à rubis inventé par TH Maiman en 1960 était un laser à solide et le premier laser au monde. Les lasers solides se composent généralement d'un matériau de travail laser, d'une source d'excitation, d'une cavité de focalisation, d'un réflecteur à cavité résonante et d'une alimentation.

Le matériau de travail solide utilisé dans ce type de laser est fabriqué en dopant des ions métalliques qui peuvent produire une émission stimulée dans le cristal. Il existe trois principaux types d'ions métalliques qui peuvent produire une émission stimulée dans les solides : (1) les ions de métaux de transition (tels que Cr3 plus ) ; (2) la plupart des ions métalliques lanthanides (tels que Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus, etc.) ; (3) actinium C'est un ion métallique (tel que U3 plus). Les principales caractéristiques de ces ions métalliques dopés dans la matrice solide sont : une bande spectrale d'absorption efficace relativement large, une efficacité de fluorescence relativement élevée, une durée de vie de fluorescence relativement longue et des raies spectrales de fluorescence relativement étroites, de sorte qu'ils sont sujets à l'inversion du nombre de particules et à l'émission stimulée. Les cristaux artificiels utilisés comme matrice cristalline comprennent principalement : le corindon (NaAlSi2O6), le grenat d'yttrium et d'aluminium (Y3Al5, O12), le tungstate de calcium (CaWO4), le fluorure de calcium (CaF2), etc., ainsi que l'aluminate d'yttrium (YAlO3), le béryllium et le lanthane. acide (La2Be2O5), etc. Le substrat en verre utilisé est principalement du verre optique silicaté de haute qualité, tel que le verre couronne de baryum et le verre couronne de calcium couramment utilisés. Par rapport aux matrices cristallines, les principales caractéristiques des matrices en verre sont la facilité de préparation et la disponibilité aisée de matériaux de haute qualité en grandes tailles. Les principales exigences relatives aux cristaux et aux substrats de verre sont les suivantes : incorporation facile d'ions métalliques luminescents pour l'activation ; de bonnes caractéristiques spectrales, des caractéristiques de transmission optique et un degré élevé d'uniformité optique (indice de réfraction) ; propriétés physiques adaptées au fonctionnement laser à long terme et propriétés chimiques (telles que propriétés thermiques, propriétés anti-dégradation, stabilité chimique, etc.). Les lasers à cristal sont généralement représentés par le rubis (Al2O3 : Cr3 plus ) et le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (en abrégé YAG : Nd3 plus ). Les lasers en verre sont généralement représentés par des lasers en verre néodyme.

Matériau de travail laser solide

Le matériau de travail d'un laser à semi-conducteurs est composé de cristal ou de verre optiquement transparent comme matériau de matrice, dopé avec des ions activateurs ou d'autres substances activatrices. Cette substance active doit généralement avoir de bonnes propriétés physico-chimiques, des raies spectrales de fluorescence étroites, des bandes d'absorption fortes et larges et une efficacité quantique de fluorescence élevée.

Les matériaux de travail du verre au laser sont facilement transformés en matériaux uniformes de grande taille et peuvent être utilisés dans des lasers à haute énergie ou à puissance de crête élevée. Cependant, son spectre de fluorescence est plus large et ses performances thermiques sont médiocres, ce qui le rend impropre au travail sous une puissance moyenne élevée. Les verres en néodyme courants comprennent les verres au silicate, au phosphate et au fluorophosphate. Au début des années 1980, un verre en néodyme avec un coefficient de température d'indice de réfraction négatif a été développé avec succès, qui peut être utilisé dans les lasers de moyenne et petite énergie avec des taux de répétition élevés.

Les matériaux de travail du laser à cristal ont généralement de bonnes propriétés thermiques et mécaniques et des raies spectrales de fluorescence étroites, mais la technologie de croissance cristalline permettant d'obtenir des matériaux de grande taille de haute qualité est compliquée. Depuis les années 1960, plus de 300 types de cristaux d’oxydes et de fluorures dopés avec divers métaux de terres rares ou ions de métaux de transition ont réalisé une oscillation laser. Les cristaux laser couramment utilisés comprennent le rubis (Cr:Al2O3, longueur d'onde 6943 Angstroms), le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd:Y3Al5O12, appelé Nd:YAG, longueur d'onde 1,064 microns), le fluorure de lithium et d'yttrium (LiYF4, appelé YLF) ; Nd:YLF, longueur d'onde 1,047 ou 1,05 microns ; Ho:Er:Tm:YLF, longueur d'onde 2,06 microns), etc.

Depuis 1973, il existe un autre type de cristal laser auto-activable. Ses ions activés sont un composant chimique du cristal, donc la concentration d'ions activés est élevée et l'extinction de la fluorescence ne se produira pas. Ce cristal présente un gain laser élevé et un faible seuil d'extraction. Les principales variétés comprennent le pentaphosphate de néodyme (NdP5O14), le tétraphosphate de lithium et de néodyme (NdLiP4O12) et le borate d'aluminium et de néodyme (NdAl3(BO4)3). Ils sont principalement cultivés par la méthode des sels fondus et ont des cristaux de petite taille, ils peuvent donc être utilisés dans de petits lasers à semi-conducteurs.

Une variété de cristaux laser accordables avec des caractéristiques de fluorescence à large bande ont été développés, tels que le chrysobéryl avec transition de phonons terminaux (Cr:BeAl2O4, longueur d'onde 0.701-0,815 microns, fonctionnant à température ambiante), le nickel- fluorure de magnésium dopé (Ni : MgF2, longueur d'onde 1,6 ~ 1,8 microns, fonctionnant à basse température), fluorure d'yttrium de lithium dopé au cérium avec transition 5d → 4f (Ce: YLF, longueur d'onde 0.306 ~00,315 microns, excité par un laser excimer, fonctionnant à température ambiante) et le centre de couleur du cristal laser aux halogénures alcalins (chlorure de potassium non dopé ou dopé, fluorure de lithium, etc., longueur d'onde 0,8 ~ 3,9 microns, fonctionnant principalement à basse température).

Source d'excitation laser solide

Les lasers solides utilisent la lumière comme source d'excitation. Les sources d'excitation par impulsions couramment utilisées comprennent les lampes flash chargées au xénon ; les sources d'excitation continue comprennent les lampes à arc au krypton, les lampes à iode tungstène, les lampes au rubidium potassium, etc. Dans les petits lasers longue durée, des diodes électroluminescentes à semi-conducteurs ou la lumière du soleil peuvent être utilisées comme sources d'excitation. Certains nouveaux lasers à semi-conducteurs utilisent également l'excitation laser.

Étant donné que seule une partie du spectre d'émission de la source lumineuse est absorbée par le matériau de travail, plus d'autres pertes, le rendement de conversion d'énergie des lasers à solide n'est pas élevé, généralement entre quelques millièmes et quelques pour cent.

Caractéristiques du laser solide

Les lasers solides peuvent être utilisés comme sources de lumière cohérente à haute énergie et haute puissance. L'énergie de sortie du laser à impulsion rubis peut atteindre le niveau du kilojoule. Le système laser en verre néodyme amplifié à commutation Q et à plusieurs étages a une puissance d'impulsion maximale de 10 watts. La puissance de sortie du laser continu à grenat d'yttrium et d'aluminium peut atteindre des centaines de watts, et la connexion en série à plusieurs étages peut atteindre des kilowatts.

Les lasers à semi-conducteurs utilisent la technologie Q-switching (modulation de la lumière visible) pour obtenir des impulsions courtes allant de nanosecondes à des centaines de nanosecondes, et utilisent la technologie de verrouillage de mode pour obtenir des impulsions ultra-courtes allant de picosecondes à des centaines de picosecondes.

En raison de l'inhomogénéité optique du matériau de travail et d'autres raisons, la sortie des lasers à semi-conducteurs généraux est multimode. Si le matériau de travail avec une bonne uniformité optique est sélectionné et que la cavité résonante est soigneusement conçue et que d'autres mesures techniques sont prises, le laser à mode transversal fondamental (TEM00) avec un angle de divergence de faisceau proche de la limite de diffraction peut être obtenu , et un laser à mode longitudinal unique peut également être obtenu.

Applications et tendances du laser à semi-conducteurs

Les lasers à semi-conducteurs ont un large éventail d'utilisations dans les domaines de la recherche militaire, de transformation, médicale et scientifique. Il est couramment utilisé dans les domaines de la télémétrie, du suivi, du guidage, du perçage, de la découpe et du soudage, du recuit de matériaux semi-conducteurs, du micro-traitement des appareils électroniques, de la détection atmosphérique, de la recherche spectroscopique, de la chirurgie et de la chirurgie ophtalmique, du diagnostic plasma, de l'holographie pulsée et de la fusion laser, etc. . . Les lasers à semi-conducteurs sont également utilisés comme sources d'excitation pour les lasers à colorant accordables.

La tendance de développement des lasers à semi-conducteurs est la diversification des matériaux et des dispositifs, y compris la recherche de nouvelles longueurs d'onde et de nouveaux matériaux de travail avec des longueurs d'onde de fonctionnement accordables, l'amélioration de l'efficacité de conversion du laser, l'augmentation de la puissance de sortie, l'amélioration de la qualité du faisceau, la compression la largeur d'impulsion, améliorant la fiabilité et la durée de vie prolongée.

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