LASERS
Les principaux lasers
Il existe actuellement des centaines de types de lasers, puisqu'on est arrivé à pomper, pour les rendre amplificateurs de la lumière, un très grand nombre de matériaux solides, liquides ou gazeux. En revanche, le nombre des types de lasers d'utilisation courante est beaucoup plus restreint.
Les lasers à solides et liquides
Les lasers à néodyme dans des cristaux
Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon
Encyclopædia Universalis France
Le néodyme (Nd) est une « terre rare » dont les atomes permettent un pompage « à quatre niveaux » vers un niveau supérieur E2 (en fait un groupe de niveaux d'énergies allant de 600 à 850 nanomètres ; 1 nm = 10—9 mètre). L'inversion de population apparaît entre deux niveaux d'écart correspondant à 1 064 nm. Les atomes de néodyme sont généralement incorporés (à une teneur de l'ordre du pour-cent en masse) à un cristal de YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium), mais ils peuvent aussi l'être à d'autres cristaux (YLF, fluorure de lithium et d'yttrium ; YVO4, vanadate d'yttrium...) et même à des verres (cf. infra). Dans le YAG, ce cristal est taillé en forme de barreau cylindrique, de longueur allant de 2 jusqu'à 15 centimètres, avec des diamètres d'environ le dixième de la longueur. Le pompage est effectué par une ou plusieurs lampes de très forte intensité, généralement placées très près du barreau, le tout étant enfermé dans un réflecteur ou un diffuseur aussi parfait que possible, pour améliorer l'éclairement du cristal (fig. 2a). Les miroirs qui constituent le résonateur sont soit déposés sur les extrémités du barreau, soit placés à distance pour les rendre démontables ou pour intercaler des éléments optiques.
Dans les solides, l'intensité requise pour obtenir N1 > N3 est très forte, et, globalement, le rendement énergétique des lasers est faible, l'énergie recueillie dans le faisceau n'étant qu'une petite fraction de celle du pompage. En effet, la plus grande part de cette dernière est absorbée par les transitions intermédiaires comme E2 — E1, et par les émissions spontanées des différents niveaux, pour finalement aboutir à l'échauffement (voire à la destruction) de l'amplificateur. C'est pourquoi, en général, on ne maintient pas le pompage en permanence, la (ou les) lampe(s) ne fonctionnant que par impulsions de quelques millisecondes (ms), durant lesquelles l'oscillation laser a le temps de s'établir. Le processus peut être répété jusqu'à plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines, de fois par seconde. Ces lasers sont donc impulsionnels.
On peut obtenir dans la plupart des lasers des impulsions beaucoup plus puissantes avec le fonctionnement « déclenché », dans lequel on bloque temporairement le passage de la lumière entre les miroirs, ce qui permet au pompage d'accumuler au niveau supérieur de la transition laser une population très accrue d'atomes excités. L'amplification devient alors très élevée. Si, à cet instant, on rétablit brusquement le passage de la lumière (un moyen d'y parvenir consiste à utiliser une « cellule de Pockels » pour interdire ou permettre la transmission en lumière polarisée), l'émission a lieu sous forme d'une impulsion unique très puissante et très courte. On peut typiquement, avec les lasers au néodyme, produire des puissances dépassant 107 watts, d'une durée de quelques nanosecondes (10—9 s) à quelques dizaines de nanosecondes. Des puissances encore plus élevées peuvent être obtenues en faisant passer la lumière laser par des amplificateurs successifs, constitués de barreaux de plus en plus gros (voir infra). Entre les amplificateurs, on place des « isolateurs optiques » qui visent à interdire toute oscillation « parasite ».
Un intérêt déterminant des puissances élevées est qu'elles font apparaître dans[...]
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Écrit par
- Yves LECARPENTIER : professeur à la faculté de médecine, université de Paris-XI, service d'explorations fonctionnelles cardio-vasculaires et respiratoires, hôpital de Bicêtre
- Alain ORSZAG : ingénieur, École polytechnique, docteur ès sciences
Classification
Médias
Interactions atome-lumière et pompage optique
Encyclopædia Universalis France
Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon
Encyclopædia Universalis France
Laser semiconducteur
Encyclopædia Universalis France
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