Le premier principe de l'action laser, dont la physiqueétait basé sur la loi du rayonnement de Planck, théoriquement étayée par Einstein en 1917. Il a décrit l'absorption, le rayonnement électromagnétique spontané et stimulé à l'aide de coefficients de probabilité (coefficients d'Einstein).
Theodore Maiman a été le premier à démontrerle principe de fonctionnement d'un laser rubis, basé sur un pompage optique avec une lampe flash rubis synthétique, qui produit un rayonnement cohérent pulsé d'une longueur d'onde de 694 nm.
En 1960, les scientifiques iraniens Javan et Bennett ont créé le premier générateur de gaz quantique utilisant un mélange de gaz He et Ne dans un rapport de 1:10.
En 1962, R.N.Hall a présenté le premier laser à diode à l'arséniure de gallium (GaAs), émettant à 850 nm. Plus tard cette année-là, Nick Golonyak a développé le premier générateur quantique à semi-conducteur pour la lumière visible.
Chaque système laser se compose d'un actifun milieu placé entre une paire de miroirs optiquement parallèles et hautement réfléchissants, dont l'un est semi-transparent, et une source d'énergie pour le pomper. Le milieu d'amplification peut être un solide, liquide ou gazeux, qui ont la propriété d'amplifier l'amplitude de l'onde lumineuse le traversant par émission stimulée par pompage électrique ou optique. La substance est placée entre une paire de miroirs de telle manière que la lumière réfléchie en eux passe à chaque fois à travers elle et, ayant réalisé une amplification significative, pénètre à travers un miroir semi-transparent.
Considérons le principe de fonctionnement d'un laser à milieu actif dont les atomes n'ont que deux niveaux d'énergie: E excité2 et base E1... Si les atomes sont excités par un mécanisme de pompage (optique, décharge électrique, transmission de courant ou bombardement électronique) à l'état E2, puis dans quelques nanosecondes ils reviendront en position principale, émettant des photons d'énergie hν = E2 - E1... Selon la théorie d'Einstein, l'émission est produitede deux manières différentes: soit elle est induite par un photon, soit elle se produit spontanément. Dans le premier cas, une émission stimulée se produit et dans le second, une émission spontanée. A l'équilibre thermique, la probabilité d'émission stimulée est bien inférieure à celle de spontané (1:1033); par conséquent, la plupart des sources lumineuses ordinaires sont incohérentes et le laser est possible dans des conditions autres que l'équilibre thermique.
Même avec un pompage très fort, la populationles systèmes à deux niveaux ne peuvent être rendus égaux. Par conséquent, pour obtenir une inversion de population par des méthodes de pompage optiques ou autres, des systèmes à trois ou quatre niveaux sont nécessaires.
Quel est le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux? Irradiation avec une lumière intense de fréquence ν02 pompe un grand nombre d'atomes à partir du niveau d'énergie le plus bas E0 vers E supérieur2... Transition non radiative des atomes avec E2 doigt de pied1 définit l'inversion de population entre E1 et E0, ce qui en pratique n'est possible que lorsque les atomes sont dans un état métastable pendant une longue période E1, et la transition de E2 doigt de pied1 arrive rapidement. Le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux est de remplir ces conditions, grâce auxquelles entre E0 et E1 l'inversion de population est obtenue et les photons sont amplifiés avec l'énergie E1-E0 rayonnement induit. Niveau E plus large2 pourrait augmenter la plage d'absorption des longueurs d'onde pour un pompage plus efficace, entraînant une augmentation de l'émission stimulée.
Le système à trois niveaux nécessite une trèsla puissance de la pompe, puisque le niveau inférieur impliqué dans la production est celui de base. Dans ce cas, pour que l'inversion de population se produise, à l'état E1 plus de la moitié du total doit être pompéle nombre d'atomes. C'est de l'énergie gaspillée. La puissance de la pompe peut être considérablement réduite si le niveau de génération inférieur n'est pas de base, ce qui nécessite au moins un système à quatre niveaux.
En fonction de la nature de la substance active,les lasers se répartissent en trois catégories principales, à savoir les solides, les liquides et les gaz. Depuis 1958, lorsque le laser a été observé pour la première fois dans un cristal de rubis, les scientifiques et les chercheurs ont étudié une grande variété de matériaux dans chaque catégorie.
Le principe de fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un milieu actif, qui est formé par l'ajout d'un métal de transition (Ti+3, Cr+3, V+2, Co+2, Ni+2, Fe+2, etc.), les ions de terres rares (Ce+3, Pr+3, Nd+3, PM+3, Sm+2, UE+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Euh+3, Yb+3, etc.), et des actinides comme U+3... Les niveaux d'énergie des ions ne sont responsables que degénération. Les propriétés physiques du matériau de base, telles que la conductivité thermique et la dilatation thermique, sont essentielles pour des performances laser efficaces. La disposition des atomes du réseau autour de l'ion dopé modifie ses niveaux d'énergie. Différentes longueurs d'onde laser dans le milieu actif sont obtenues en dopant différents matériaux avec le même ion.
Un exemple de laser à semi-conducteurs est un quantumun générateur dans lequel l'holmium remplace un atome de la substance de base du réseau cristallin. Ho: YAG est l'un des meilleurs matériaux de génération. Le principe de fonctionnement d'un laser holmium est que le grenat yttrium aluminium est dopé aux ions holmium, pompé optiquement par une lampe flash et émet à une longueur d'onde de 2097 nm dans le domaine infrarouge, qui est bien absorbé par les tissus. Ce laser est utilisé pour les opérations sur les articulations, en traitement dentaire, pour l'évaporation des cellules cancéreuses, des reins et des calculs biliaires.
Les lasers à puits quantiques sont peu coûteux, permettentproduction de masse et facile à mettre à l'échelle. Le principe de fonctionnement d'un laser à semi-conducteur est basé sur l'utilisation d'une diode à jonction pn, qui produit de la lumière d'une longueur d'onde spécifique en recombinant la porteuse à polarisation positive, similaire aux LED. Les LED émettent spontanément, tandis que les diodes laser émettent de manière forcée. Pour répondre à la condition d'inversion de population, le courant de fonctionnement doit dépasser la valeur seuil. Le milieu actif dans une diode semi-conductrice a la forme d'une région de connexion de deux couches bidimensionnelles.
Le principe de fonctionnement de ce type de laser est tel queaucun rétroviseur extérieur n'est nécessaire pour maintenir les vibrations. La réflectivité créée par l'indice de réfraction des couches et la réflexion interne du milieu actif est suffisante à cet effet. Les surfaces d'extrémité des diodes sont ébréchées, ce qui garantit que les surfaces réfléchissantes sont parallèles.
Un composé formé par des matériaux semi-conducteurs du même type est appelé une homojonction, et un composé créé en connectant deux différents est appelé une hétérojonction.
Les semi-conducteurs de types p et n avec une densité de porteurs élevée forment une jonction pn avec une couche d'appauvrissement très mince (≈1 μm).
Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce laserLe type vous permet de créer des appareils de presque toutes les puissances (des milliwatts aux mégawatts) et longueurs d'onde (des UV aux IR) et vous permet de travailler en modes pulsé et continu. Sur la base de la nature des milieux actifs, trois types de générateurs quantiques de gaz sont distingués, à savoir atomique, ionique et moléculaire.
La plupart des lasers à gaz sont pompésdécharge électrique. Les électrons dans le tube à décharge sont accélérés par le champ électrique entre les électrodes. Ils entrent en collision avec des atomes, des ions ou des molécules du milieu actif et induisent une transition vers des niveaux d'énergie plus élevés pour atteindre l'état d'inversion de population et d'émission stimulée.
Le principe de fonctionnement du laser repose sur le fait que, enContrairement aux atomes et aux ions isolés, les molécules des générateurs quantiques atomiques et ioniques ont de larges bandes d'énergie de niveaux d'énergie discrets. Dans ce cas, chaque niveau d'énergie électronique a un grand nombre de niveaux de vibration, et ceux-ci, à leur tour, ont plusieurs niveaux de rotation.
Énergie entre énergie électroniqueles niveaux se situent dans les régions UV et visible du spectre, tandis qu'entre les niveaux vibrationnels-rotationnels - dans les régions infrarouges lointaines et proches. Ainsi, la plupart des générateurs quantiques moléculaires fonctionnent dans les régions infrarouges lointaines ou proches.
Les excimers sont des molécules telles queArF, KrF, XeCl, qui ont un état fondamental séparé et sont stables au premier niveau. Le principe du laser est le suivant. En règle générale, le nombre de molécules à l'état fondamental est petit; par conséquent, le pompage direct depuis l'état fondamental n'est pas possible. Les molécules sont formées dans un premier état électronique excité en combinant des halogénures à haute énergie avec des gaz inertes. L'inversion de population est facilement obtenue car le nombre de molécules à la ligne de base est trop petit par rapport à celui excité. Le principe de fonctionnement d'un laser, en bref, consiste dans le passage d'un état électronique excité lié à un état fondamental dissociatif. La population à l'état fondamental reste toujours à un niveau bas, car les molécules à ce stade se dissocient en atomes.
Le dispositif et le principe de fonctionnement des lasers est que le tube à décharge est rempli d'un mélange d'un halogénure (F2) et des gaz de terres rares (Ar). Les électrons qu'il contient dissocient et ionisent les molécules d'halogénure et créent des ions chargés négativement. Ar ions positifs+ et négatif F- réagissent et produisent des molécules ArF dans le premierétat lié excité avec leur transition ultérieure vers un état de base répulsif et la génération d'un rayonnement cohérent. Un laser excimère, dont nous envisageons maintenant le principe de fonctionnement et d'application, peut être utilisé pour pomper un milieu actif à base de colorants.
Par rapport aux solides, aux liquidessont plus homogènes et ont une densité d'atomes actifs plus élevée que les gaz. De plus, ils ne sont pas difficiles à fabriquer, permettent une dissipation thermique aisée et peuvent être facilement remplacés. Le principe du fonctionnement du laser est d'utiliser des colorants organiques comme milieu actif, tels que le DCM (4-dicyanométhylène-2-méthyl-6-p-diméthylaminostiryl-4H-pyrane), la rhodamine, le styryle, le LDS, la coumarine, le stilbène, etc. ., dissous dans un solvant approprié. Une solution de molécules de colorant est excitée par un rayonnement dont la longueur d'onde a un bon coefficient d'absorption. Le principe de fonctionnement d'un laser, en bref, est de générer à une longueur d'onde plus longue, appelée fluorescence. La différence entre l'énergie absorbée et les photons émis est exploitée par des transitions d'énergie non radiative et chauffe le système.
Bande passante de fluorescence plus large du liquideles générateurs quantiques ont une caractéristique unique: le réglage de la longueur d'onde. Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type de laser comme source de lumière accordable et cohérente devient de plus en plus important dans la spectroscopie, l'holographie et les applications biomédicales.
Récemment, des générateurs quantiques de colorants ont commencé à être utilisés pour la séparation des isotopes. Dans ce cas, le laser excite sélectivement l'un d'entre eux, l'incitant à entrer dans une réaction chimique.
