Laser

Exp??rimenter avec un laser ( Arm??e am??ricaine)

Le terme "laser" est un acronyme pour amplification de la lumi??re par ??mission stimul??e de rayonnement. Un laser typique ??met de la lumi??re dans un ??troit, faible la divergence monochromatique (unicolore, si le laser fonctionne dans le spectre visible), avec un faisceau bien d??fini longueur d'onde. De cette mani??re, la lumi??re laser est en contraste avec une source de lumi??re tel que le ampoule ?? incandescence, qui ??met de la lumi??re sur une grande surface et sur une large spectre de longueurs d'onde.

Le premier laser de travail a ??t?? d??montr?? mai 1960 par Theodore Maiman au Hughes Research Laboratories. R??cemment, les lasers sont devenus une industrie de plusieurs milliards de dollars. L'utilisation la plus r??pandue des lasers est en dispositifs de stockage optiques tels que les disques compacts et DVD joueurs, dans lequel le laser (quelques millim??tres) balaye la surface du disque. Autres applications courantes de lasers sont des lecteurs de codes ?? barres et pointeurs laser.

Dans l'industrie, lasers sont utilis??s pour l'acier et d'autres m??taux coupe et pour l'inscription motifs (tels que les lettres sur les claviers d'ordinateur). Les lasers sont aussi couramment utilis??s dans divers domaines dans la science , en particulier la spectroscopie , g??n??ralement en raison de leur longueur d'onde bien d??finies ou courte dur??e d'impulsion dans le cas des lasers puls??s. Les lasers sont utilis??s par les militaires pour l'identification des cibles et l'??clairage pour la livraison d'armes. Les lasers utilis??s en m??decine sont utilis??s pour la chirurgie interne et des applications cosm??tiques.

Conception

Bien que le mot lumi??re dans l'acronyme amplification de lumi??re par ??mission stimul??e de rayonnement est g??n??ralement utilis?? dans le sens large, comme les photons de toute l'??nergie ??lectromagn??tique; elle ne est pas limit??e aux photons dans le spectre visible. Ce est pourquoi il existe lasers infrarouges, ultraviolets , lasers Lasers ?? rayons X, etc. Par exemple, une source d'atomes dans un ??tat coh??rent peuvent ??tre appel??s une laser ?? atomes.

Un laser est constitu?? d'un obtenir un milieu hautement r??fl??chissante ?? l'int??rieur cavit?? optique, ainsi que d'un moyen pour fournir de l'??nergie au milieu de gain. Le milieu de gain est un mat??riau (gaz, liquide, solide ou des ??lectrons libres) avec des propri??t??s optiques appropri??es. Dans sa forme la plus simple, une cavit?? est constitu??e de deux miroirs dispos??s de telle sorte que la lumi??re rebondit en arri??re, ?? chaque fois en passant par le milieu de gain. Typiquement, l'un des deux miroirs, la coupleur de sortie, est partiellement transparente. Le faisceau laser de sortie est ??mis ?? travers ce miroir.

Une lumi??re d'une longueur d'onde sp??cifique qui passe par le milieu de gain est amplifi??s (augmentations de puissance); les miroirs autour de veiller ?? ce que la majeure partie de la lumi??re fait de nombreux passages ?? travers le milieu de gain, en stimulant le mat??riau de gain en continu. Une partie de la lumi??re qui se trouve entre les miroirs (ce est ?? l'int??rieur de la cavit??) passe ?? travers le miroir partiellement transparent et se ??chappe sous forme de faisceau de lumi??re.

Le proc??d?? de fourniture de l'??nergie n??cessaire ?? l'amplification est appel??e pompage. L'??nergie est g??n??ralement fourni comme un courant ??lectrique ou la lumi??re ?? une longueur d'onde diff??rente. Une source de pompe est une caract??ristique lampe flash ou peut-??tre un autre laser. La plupart des lasers pratiques contiennent des ??l??ments suppl??mentaires qui influent sur les propri??t??s telles que la longueur d'onde de la lumi??re ??mise et la forme du faisceau.

Physique des lasers

Principaux constituants:
1. milieu actif laser
2. Laser ??nergie de pompage
3. Haut r??flecteur
4. coupleur de sortie
5. faisceau laser

Un h??lium-n??on d??monstration laser ?? la Kastler Brossel Laboratoire Univ. Paris 6. La rayons lumineux au milieu est une d??charge produisant de la lumi??re ??lectrique dans la m??me mani??re comme une lumi??re au n??on. C'est le acqu??rir moyen par lequel le laser passe, pas le faisceau laser lui-m??me, qui est visible l??. Le faisceau laser traverse l'air et marque un point rouge sur l'??cran vers la droite.

Spectre d'un laser h??lium-n??on montrant la puret?? spectrale tr??s ??lev??e intrins??que ?? presque tous les lasers. Comparer avec la relativement large ??mittance spectrale d'une diode ??mettant de la lumi??re.

Pour comprendre les fondements de la fa??on dont fonctionnent les lasers et ce qui rend leurs ??missions si sp??cial n??cessite une connaissance de l'interaction du rayonnement ??lectromagn??tique et la mati??re (voir la ?? introduction ?? la m??canique quantique "article).

Un laser est compos?? d'un milieu actif laser ou un milieu ?? gain, et une r??sonnant cavit?? optique. Le milieu de gain externe transf??re l'??nergie dans le faisceau laser. Ce est un mat??riau de puret?? contr??l??e, la taille, la concentration, et la forme, ce qui amplifie la poutre par le proc??d?? de l'??mission stimul??e. Le milieu de gain est mis sous tension, ou pomp?? par une source d'??nergie externe. Des exemples de sources de pompage comprennent l'??lectricit?? et la lumi??re, par exemple ?? partir d'un lampe flash ou d'un autre laser. L'??nergie de pompage est absorb?? par le milieu laser, en pla??ant une partie de ses particules dans haute ??nergie (" excit?? ??) ??tats quantiques. Les particules peuvent interagir avec la lumi??re ?? la fois en absorbant des photons ou en ??mettant des photons. L'??mission peut ??tre spontan??e ou stimul??e. Dans ce dernier cas, le photon est ??mis dans la m??me direction que la lumi??re qui passe par. Lorsque le nombre de particules dans un ??tat excit?? d??passe le nombre de particules dans un ??tat d'??nergie inf??rieure, inversion de population est obtenue et la quantit?? d'??mission stimul??e due ?? la lumi??re qui passe ?? travers est plus grande que la quantit?? d'absorption. Par cons??quent, la lumi??re est amplifi??e. Strictement parlant, ce sont les ingr??dients essentiels d'un laser. Cependant, habituellement le laser ?? terme est utilis?? pour les dispositifs o?? la lumi??re qui est amplifi?? est produit comme une ??mission spontan??e ?? partir du m??me milieu de gain, o?? l'amplification a lieu. Dispositifs o?? la lumi??re depuis une source externe est amplifi?? sont normalement appel??s des amplificateurs optiques.

La lumi??re produite par une ??mission stimul??e est tr??s semblable au signal d'entr??e en termes de longueur d'onde, la phase et la polarisation. Cela donne une lumi??re laser de sa coh??rence caract??ristique, et lui permet de maintenir la polarisation uniforme et souvent monochromaticit?? ??tablie par la conception de la cavit?? optique.

Le cavit?? optique, un type de r??sonateurs ?? cavit??, comporte un faisceau coh??rent de lumi??re entre des surfaces r??fl??chissantes de sorte que la lumi??re passe ?? travers le milieu de gain plus d'une fois avant d'??tre ??mise ?? partir de l'orifice de sortie ou de perte de diffraction ou d'absorption. Comme la lumi??re circule ?? travers la cavit??, en passant par le milieu de gain, si le gain (amplification) dans le milieu est plus forte que les pertes de r??sonateur, la puissance de la lumi??re circulant peut augmenter de fa??on exponentielle . Mais chaque ??v??nement d'??mission stimul??e retourne une particule de son ??tat excit?? ?? l'??tat du sol, ce qui r??duit la capacit?? du milieu de gain pour une amplification suppl??mentaire. Lorsque cet effet devient fort, le gain est dit satur??. Le solde de puissance de la pompe contre le gain de saturation et de la cavit?? des pertes produit une valeur de la puissance du laser ?? l'int??rieur de la cavit?? de l'??quilibre; cet ??quilibre d??termine le point de fonctionnement du laser. Si la puissance de pompage choisi est trop petit, le gain ne est pas suffisante pour surmonter les pertes de r??sonateur, et le laser ??met seulement de tr??s petites puissances lumineuses. La puissance de la pompe minimum n??cessaire pour commencer l'action du laser est appel?? le seuil d'effet laser. Le milieu de gain va amplifier des photons qui le traverse, ind??pendamment de la direction; mais seulement les photons align??s avec la cavit?? parviennent ?? passer plus d'une fois par l'interm??diaire et ont donc amplification significative.

Le faisceau dans la cavit?? et le faisceau de sortie du laser, se ils se produisent dans l'espace libre plut??t que des guides d'ondes (comme dans une fibre optique laser), sont, au mieux, une faible ordre Faisceaux gaussiens. Toutefois, ce est rarement le cas avec des lasers puissants. Si le faisceau ne est pas une forme gaussienne faible ordre, le les modes transversaux de la poutre peuvent ??tre d??crites comme une superposition de Hermite- Gaussienne ou Poutres Laguerre-Gauss (pour les lasers ?? cavit??s stable). R??sonateurs laser instables d'autre part, ont ??t?? montr?? pour produire des faisceaux de forme fractale. Le faisceau peut ??tre tr??s collimat??, qui est parall??le sans divergente. Cependant, un faisceau collimat?? parfaitement impossible de cr??er, en raison de diffraction. Le faisceau collimat?? reste sur une distance qui varie avec le carr?? du diam??tre du faisceau, et, ??ventuellement, diverge selon un angle qui varie inversement avec le diam??tre du faisceau. Ainsi, un faisceau g??n??r?? par un petit laser de laboratoire tel qu'un laser h??lium-n??on se propage ?? environ 1,6 km (1 mille) de diam??tre si brillait de la Terre ?? la Lune . Par comparaison, la sortie d'un laser ?? semi-conducteur typique, en raison de son petit diam??tre, se ??carte pratiquement d??s sa sortie de l'ouverture, selon un angle de tout jusqu'?? 50 ??. Cependant, un tel faisceau divergent peut ??tre transform?? en un faisceau collimat?? par l'interm??diaire d'un lentille. En revanche, la lumi??re provenant des sources de lumi??re non-laser ne peut pas ??tre collimat??e par l'optique aussi bien.

La sortie d'un laser peut ??tre une sortie d'amplitude constante continue (appel??e CW ou onde continue); ou puls??e, en utilisant les techniques de Q-commutation, modelocking, ou gagner de commutation. En fonctionnement puls??, des puissances de cr??te beaucoup plus ??lev??s peuvent ??tre atteints.

Certains types de lasers, tels que les lasers ?? colorant et des lasers ?? l'??tat solide vibroniques peut produire de la lumi??re sur une large plage de longueurs d'onde; cette propri??t?? rend aptes ?? g??n??rer des impulsions extr??mement courtes de la lumi??re, de l'ordre de quelques-uns femtosecondes (10 ^-15 s).

Bien que le ph??nom??ne de laser a ??t?? d??couverte ?? l'aide de physique quantique , il ne est pas essentiellement plus m??canique quantique que les autres sources de lumi??re. Le fonctionnement d'un laser ?? ??lectrons libres peut ??tre expliqu?? sans r??f??rence ?? la m??canique quantique .

Parce que le micro-ondes ??quivalent du laser, la maser, a ??t?? d??velopp?? en premier lieu, des dispositifs qui ??mettent micro-ondes et la radio fr??quences sont g??n??ralement appel?? masers. Dans la litt??rature pr??coce, notamment des chercheurs de Bell Telephone Laboratories, le laser ??tait souvent appel?? le maser optique. Cet usage est devenu rare, et ?? partir de 1998, m??me Bell Labs utilise le terme laser.

Onde continue et lasers puls??s

Un laser peut ??tre soit construit pour ??mettre un faisceau continu ou un train d'impulsions de courte dur??e. Cela rend diff??rences fondamentales dans la construction, des m??dias laser utilisables, et les applications.

Op??ration d'onde continue

Dans le mode de fonctionnement continu onde (CW), la sortie d'un laser est relativement constant par rapport au temps. L'inversion de population n??cessaire pour effet laser est continuellement maintenu par une source de pompage stable.

Fonctionnement puls??

Dans le mode de fonctionnement puis??, la sortie d'un laser varie en fonction du temps, prenant g??n??ralement la forme d'une alternance de ??on?? et des p??riodes ??off??. Dans de nombreuses applications on cherche ?? d??poser autant d'??nergie que possible ?? un endroit donn?? dans un d??lai aussi court que possible. En ablation au laser par exemple, un petit volume de mati??re ?? la surface d'une pi??ce ?? usiner peut se ??vaporer si elle obtient l'??nergie n??cessaire pour r??chauffer assez loin dans le temps tr??s court. Si, cependant, la m??me ??nergie est r??partie sur un plus long temps, la chaleur peut avoir le temps de disperser dans la masse de la pi??ce, et se ??vapore moins importants. Il ya un certain nombre de m??thodes pour y parvenir.

Q-switching

Dans un laser Q-switched, l'inversion de population (habituellement produites de la m??me mani??re que le fonctionnement CW) est autoris?? ?? se accumuler en effectuant les conditions de cavit?? (le ??Q??) d??favorables pour l'effet laser. Ensuite, lorsque l'??nergie de la pompe stock??es dans le support de laser est au niveau souhait??, le ??Q?? est ajust?? (??lectro ou acousto-optique) ?? des conditions favorables, lib??rant l'impulsion. Il en r??sulte des puissances cr??tes ??lev??es que la puissance moyenne du laser (si elle ??tait en cours d'ex??cution en mode CW) est emball?? dans un d??lai plus court.

Modelocking

Un laser modelocked ??met des impulsions extr??mement courtes de l'ordre de dizaines de picosecondes ?? moins de 10 femtosecondes. Ces impulsions sont typiquement s??par??es par le temps que prend une impulsion pour compl??ter un aller-retour dans la cavit?? de r??sonateur. En raison de limite de Fourier (??galement connu sous le nom d'??nergie en temps incertitude), une impulsion d'une longueur temporelle courte a un spectre qui contient une large gamme de longueurs d'onde. Pour cette raison, le milieu laser doit avoir un large profil de gain suffisant pour amplifier tous. Un exemple d'un mat??riau appropri?? est le titane dop??, cultiv?? artificiellement saphir ( Ti: saphir).

Le laser modelocked est un outil plus polyvalent pour la recherche processus passe ?? des ??chelles de temps extr??mement rapides aussi connu comme la physique femtoseconde, la chimie et femtoseconde la science ultrarapide, pour maximiser l'effet de non-lin??arit?? des mat??riaux optiques (par exemple dans g??n??ration de seconde harmonique, conversion param??trique, oscillateurs param??triques optiques et analogues), et dans des applications d'ablation. Encore une fois, en raison des d??lais courts impliqu??s, ces lasers peuvent atteindre des puissances extr??mement ??lev??es.

Pompage puls??

Un autre proc??d?? pour obtenir un fonctionnement de laser ?? impulsions est de pomper le mat??riau laser avec une source qui est elle-m??me puls??, soit par charge ??lectronique dans le cas de lampes ?? ??clair ou un autre laser puls?? qui est d??j??. Pompage puls?? a ??t?? historiquement utilis?? avec des lasers ?? colorants, o?? la dur??e de vie de la population invers??e d'une mol??cule de colorant est si courte que une ??nergie ??lev??e, pompe rapide est n??cessaire. La fa??on de surmonter ce probl??me ??tait pour charger de gros condensateurs qui sont ensuite pass??s ?? d??charger ?? travers lampes flash, produisant un large flash pompe de spectre. Pompage puls?? est ??galement n??cessaire pour les lasers qui perturbent le milieu de gain tant lors du processus de laser qui doit cesser d'??mission laser pendant une courte p??riode. Ces lasers, tels que le laser ?? excim??re et le laser ?? vapeur de cuivre, ne peuvent jamais ??tre utilis??es en mode CW.

Histoire

Fondations

En 1917, Albert Einstein , dans son journal Zur Quantentheorie der Strahlung (Sur la th??orie quantique de radiations), a jet?? les bases pour l'invention du laser et son pr??d??cesseur, le maser, dans un red??rivation de r??volutionnaire Max Planck ??loi s de rayonnement sur la base des concepts de coefficients de probabilit?? (plus tard pour ??tre qualifi?? de?? coefficients Einstein ') pour l'absorption, spontan??e, et l'??mission stimul??e.

En 1928, Rudolph W. Landenburg confirm?? l'existence de l'??mission stimul??e et l'absorption n??gative.

En 1939, Valentin A. Fabrikant (URSS) a pr??dit l'utilisation de l'??mission stimul??e ?? amplifier les ondes "courts".

En 1947, Willis E. Lamb et Retherford RC trouv?? ??mission stimul??e apparente dans les spectres d'hydrog??ne et fait la premi??re d??monstration de l'??mission stimul??e.

En 1950, Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique 1966) a propos?? la m??thode de pompage optique, qui a ??t?? confirm??e exp??rimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard.

Maser

En 1953, Charles H. Townes et les ??tudiants dipl??m??s James P. Gordon et Herbert J. Zeiger a produit le premier amplificateur ?? micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires au laser, mais amplifier micro-ondes plut??t que un rayonnement infrarouge ou visible. Townes de maser ??tait incapable de sortie continue. Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov de l' Union sovi??tique a travaill?? ind??pendamment sur le quantum oscillateur et de r??soudre le probl??me des syst??mes continus de sortie en utilisant plus de deux niveaux d'??nergie et produit le premier maser. Ces syst??mes pourraient lib??rer ??mission stimul??e sans tomber ?? l'??tat du sol, maintenant ainsi une inversion de population. En 1955 Prokhorov et Basov sugg??r?? pompage optique du syst??me ?? plusieurs niveaux comme une m??thode pour obtenir l'inversion de population, qui plus tard est devenu l'une des principales m??thodes de pompage de laser.

Rapporte Townes qu'il a rencontr?? l'opposition d'un certain nombre d'??minents coll??gues qui pensaient le maser ??tait th??oriquement impossible - y compris Niels Bohr , John von Neumann , Isidor Rabi, Polykarp Kusch, et Llewellyn H. Thomas .

Townes, Basov et Prokhorov ont partag?? le prix Nobel de physique en 1964 ??Pour des travaux fondamentaux dans le domaine de l'??lectronique quantique, qui a conduit ?? la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs bas??s sur le principe du maser-laser".

Laser

En 1957, Charles Townes et Arthur Leonard Schawlow, puis ?? Les Bell Labs, a commenc?? une ??tude s??rieuse du laser infrarouge. Comme id??es ont ??t?? d??velopp??es, fr??quences infrarouges ont ??t?? abandonn??s avec un accent sur la lumi??re visible ?? la place. Le concept a ??t?? ?? l'origine connu comme un ??maser optique". De Bell Labs a d??pos?? une demande de brevet pour leur maser optique propos?? un an plus tard. Schawlow et Townes envoy?? un manuscrit de leurs calculs th??oriques pour Physical Review, qui a publi?? son document de cette ann??e (Volume 112, Issue 6).

En m??me temps Gordon Gould, un ??tudiant de troisi??me cycle ?? Columbia University, a travaill?? sur un th??se de doctorat sur les niveaux de excit??s d'??nergie thallium . Gould et Townes rencontr?? et eu des conversations sur le sujet g??n??ral de rayonnement ??mission. Ensuite Gould a pris des notes sur ses id??es pour un "laser" en Novembre 1957, y compris sugg??rant la base ouvert r??sonateur, qui est devenu un ingr??dient important de lasers futures.

En 1958, Prokhorov a propos?? ind??pendamment en utilisant un r??sonateur ouvert, la premi??re apparition publique de cette id??e. Schawlow et Townes ??galement r??gl??s sur une conception de r??sonateur ouvert, apparemment pas au courant ?? la fois l'ouvrage publi?? des Prokhorov et le travail in??dit de Gould.

Le terme "laser" a d'abord ??t?? pr??sent?? au public dans le document 1959 de la conf??rence de Gould "Le LASER, amplification de lumi??re par ??mission stimul??e de rayonnement". Gould destin?? ??-aser" ??tre un suffixe, pour ??tre utilis?? avec un pr??fixe correspondant pour les spectres de la lumi??re ??mise par le dispositif (rayons X = xaser laser, laser ultraviolet = uvaser, etc.). Aucun des autres termes est devenu populaire, bien que ??raser?? a ??t?? utilis?? pendant une courte p??riode pour d??crire radiofr??quence dispositifs ??metteurs.

Les notes de Gould figurent les applications possibles pour un laser, comme la spectrom??trie , interf??rom??trie, radar , et la fusion nucl??aire. Il a continu?? ?? travailler sur son id??e et a d??pos?? une demande de brevet en Avril 1959. Le Office am??ricain des brevets a rejet?? sa demande et obtenu un brevet pour Bell Labs en 1960. Cela a provoqu?? une bataille juridique qui a eu 28 ans, avec prestige scientifique et beaucoup d'argent en jeu. Gould a remport?? son premier brevet mineure en 1977, mais ce ne est qu'en 1987 qu'il pouvait r??clamer sa premi??re victoire significative de brevet quand un juge f??d??ral a ordonn?? au gouvernement de d??livrer des brevets ?? lui pour le laser ?? pompage optique et de la Laser ?? d??charge dans un gaz.

Le premier laser de travail a ??t?? faite par Theodore H. Maiman en 1960 ?? Hughes Research Laboratories ?? Malibu, en Californie, en battant plusieurs ??quipes de recherche, y compris ceux de Townes au Universit?? de Columbia, Arthur L. Schawlow chez Bell Labs, et Gould ?? une soci??t?? du nom de TRG (technique Research Group). Maiman a utilis?? un ??tat solide synth??tique de lampe-flash ?? pompage rubis cristal pour produire la lumi??re laser rouge ?? 694 nanom??tres de longueur d'onde. Le laser Maiman, cependant, ??tait seulement capable d'un fonctionnement puls?? en raison de son syst??me de pompage de trois niveau d'??nergie.

Plus tard en 1960, la iranienne physicien Ali Javan, en collaboration avec William R. Bennett et Donald Herriot, faites le premier laser ?? gaz utilisant de l'h??lium et le n??on . Javan tard re??u le Prix Albert Einstein en 1993.

Le concept de la semi-conducteur diode laser a ??t?? propos?? par Basov et Javan. La premi??re diode laser a ??t?? d??montr??e par Robert N. Hall en 1962. Le dispositif de Hall a ??t?? faite de ars??niure de gallium et ??mise ?? 850 nm dans la quasi- r??gion infrarouge du spectre. Le premier laser ?? semi-conducteur avec ??mission visible a ??t?? d??montr?? plus tard la m??me ann??e par Nick Holonyak, Jr. Comme avec les premiers lasers ?? gaz, ces premiers lasers ?? semi-conducteurs peut ??tre utilis?? uniquement en mode impulsionnel, et en effet uniquement lorsque refroidi ?? la temp??rature de l'azote liquide (77 K).

En 1970, Jaur??s Alferov dans l'Union sovi??tique et Izuo Hayashi et Morton Panish de Bell Telephone Laboratories a d??velopp?? ind??pendamment des diodes laser fonctionnant en continu ?? la temp??rature ambiante, en utilisant la Structure ?? h??t??rojonction.

Les innovations r??centes

Graphique montrant l'histoire de l'intensit?? maximale de l'impulsion laser tout au long des 40 derni??res ann??es.

Depuis le d??but de l'histoire de laser, la recherche laser a produit une vari??t?? de types de laser am??lior??es et sp??cialis??es, optimis??s pour diff??rents objectifs de performance, y compris:

• nouvelles bandes de longueur d'onde
• puissance de sortie moyenne maximale
• pic maximum de puissance de sortie
• dur??e de l'impulsion de sortie minimale
• efficacit?? de puissance maximale
• charge maximale
• allumage maximum

et cette recherche se poursuit ?? ce jour.

Effet laser sans maintenir le milieu excit?? en une inversion de population, a ??t?? d??couvert en 1992 ?? sodium gaz et de nouveau en 1995 dans le rubidium gaz par diff??rentes ??quipes internationales. Ceci a ??t?? accompli en utilisant un maser externe pour induire une "transparence optique" dans le milieu par l'introduction et l'interf??rence destructive les transitions ??lectroniques au sol entre deux voies, de sorte que la probabilit?? pour les ??lectrons au sol pour absorber toute l'??nergie a ??t?? annul??e.

En 1985, ?? la Universit?? de Rochester de Laboratoire de laser Energ??tique une perc??e dans la cr??ation ultra-impulsions, de tr??s haute intensit?? ( t??rawatts) impulsions laser sont devenus disponibles en utilisant une technique appel??e chirp?? amplification d'impulsion, ou CPA, d??couvert par G??rard Mourou. Ces impulsions ?? haute intensit?? peuvent produire propagation de filament dans l'atmosph??re.

Types et principes de fonctionnement

Sortie spectrale de plusieurs types de lasers.

des lasers ?? gaz

lasers ?? gaz ?? l'aide de nombreux gaz ont ??t?? construits et utilis??s ?? de nombreuses fins. Ils sont l'un des plus anciens types de laser.

Le h??lium-n??on laser (He) ??met ?? une vari??t?? de longueurs d'onde et des unit??s d'exploitation ?? 633 nm sont tr??s fr??quents dans l'??ducation en raison de son faible co??t.

lasers de dioxyde de carbone peuvent ??mettre des centaines de kilowatts ?? 9,6 um et 10,6 um, et sont souvent utilis??s dans l'industrie pour le d??coupage et le soudage. L'efficacit?? d'un laser CO ₂ est sup??rieure ?? 10%.

Lasers Argon-ion ??mettent de la lumi??re dans la gamme de 351 ?? 528,7 nm. Selon l'optique et le tube de laser un nombre diff??rent de lignes est utilisable, mais les lignes les plus couramment utilis??s sont 458 nm, 488 nm et 514,5 nm.

Une azote t ransverse e LECTRIQUE d??charge dans le gaz ?? une pression tmospheric (TEA) laser est un laser ?? gaz peu co??teux produire de la lumi??re UV ?? 337,1 nm.

lasers ?? ions m??talliques sont des lasers ?? gaz qui g??n??rent ultraviolets profonds longueurs d'onde. h??lium - argent (HEAG) 224 nm et n??on - cuivre (NECU) 248 nm sont deux exemples. Ces lasers ont oscillation particuli??rement ??troite largeurs inf??rieures ?? 3 GHz (0,5 picom??tre), ce qui en fait des candidats pour une utilisation dans fluorescence supprim??e Spectroscopie Raman.

lasers chimiques

Lasers chimiques sont aliment??s par une r??action chimique, et peuvent atteindre des puissances ??lev??es en r??gime permanent. Par exemple, dans le laser ?? fluorure d'hydrog??ne (2700-2900 nm) et le laser ?? fluorure de deut??rium (3,800 nm) de la r??action est la combinaison de l'hydrog??ne ou du deut??rium avec les produits de combustion de l'??thyl??ne en le trifluorure d'azote. Ils ont ??t?? invent??s par George C. Pimentel.

Les lasers excim??res

lasers Excimer sont aliment??s par une r??action chimique impliquant un dim??re excit??, ou excimer, qui est une mol??cule de courte dur??e ou h??t??rodim??rique dim??re form?? de deux esp??ces (atomes), au moins un qui est dans une ??tat ??lectronique excit??. Ils produisent g??n??ralement ultraviolet lumi??re, et sont utilis??s dans les semi-conducteurs photolithographie et LASIK. Mol??cules excim??res couramment utilis??s comprennent ₂ F ( fluor , ??mettant ?? 157 nm), et compos??s de gaz nobles (ARF [193 nm], KrCl [222 nm], KrF [248 nm], XeCl [308 nm], et XeF [351 nm]).

Lasers ?? semi-conducteurs

A 50 W Fasor, bas?? sur un laser Nd: YAG, en usage ?? la Starfire Gamme optique

Mat??riaux de laser ?? semi-conducteurs sont g??n??ralement fabriqu??s en dopant un h??te solide cristallin avec des ions qui fournissent les ??tats d'??nergie requis. Par exemple, le premier laser de travail est un laser rubis, fabriqu?? ?? partir de rubis ( chrome dop?? corindon ). Formellement, la classe de lasers ?? l'??tat solide comprend ??galement Laser ?? fibre, comme milieu actif (fibre) est ?? l'??tat solide. En pratique, dans la litt??rature scientifique, laser ?? ??tat solide signifie g??n??ralement un laser ?? milieu actif en vrac; tandis lasers guides d'onde sont appelant des lasers ?? fibre.

N??odyme est un dopant commune dans divers solides cristaux de laser de l'Etat, y compris yttrium orthovanadate ( Nd: YVO _4), fluorure d'yttrium-lithium ( Nd: YLF) et grenat d'yttrium et d'aluminium ( Nd: YAG). Tous ces lasers peuvent produire de fortes puissances dans le spectre infrarouge ?? 1064 nm. Ils sont utilis??s pour la d??coupe, le soudage et le marquage des m??taux et autres mat??riaux, et ??galement dans la spectroscopie de pompage et lasers ?? colorant. Ces lasers sont aussi commun??ment doubl?? en fr??quence, ou tripl?? quadrupl?? pour produire 532 nm ( vert, visible), 355 nm ( UV ) et 266 nm ( UV ) de lumi??re lorsque ces longueurs d'onde sont n??cessaires.

Ytterbium , holmium , le thulium et l'erbium sont d'autres dopants communs dans les lasers ?? l'??tat solide. Ytterbium est utilis?? dans les cristaux tels que Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF2, op??rant g??n??ralement autour de 1020 ?? 1050 nm. Ils sont potentiellement tr??s efficace et de haute puissance en raison d'un petit d??faut quantique. Puissances extr??mement ??lev??es ?? impulsions ultracourtes peuvent ??tre obtenus avec Yb:. YAG holmium YAG dop?? cristaux ??mettent ?? 2097 nm et forment un laser fonctionnant ?? l'efficacit?? longueurs d'onde infrarouges fortement absorb??s par les tissus contenant de l'eau. Le Ho-YAG est g??n??ralement utilis?? dans un mode puls??, et pass?? ?? travers des dispositifs chirurgicaux de fibres optiques ?? refaire surface joints, enlever la pourriture des dents, vaporiser cancers, et pulv??riser les reins et les calculs biliaires.

Titane saphir dop?? ( Ti: saphir) produit une tr??s accordable laser infrarouge, couramment utilis?? pour la spectroscopie ainsi que la plus courante ultracourtes laser ?? impulsions.

Limitations thermiques dans les lasers ?? semi-conducteurs proviennent de puissance de la pompe non converti qui se manifeste sous forme de chaleur et ??nergie phonon. Cette chaleur, lorsqu'elle est associ??e ?? un coefficient thermo-optique ??lev?? (d n / d T) peut donner lieu ?? l'effet de lentille thermique ainsi que l'efficacit?? quantique r??duite. Ces types de probl??mes peuvent ??tre surmont??s par un autre roman pomp?? par diode laser ?? l'??tat solide, la diode-pomp?? mince laser ?? disque. Les limitations thermiques dans ce type de laser sont att??nu??s par l'utilisation d'une g??om??trie de milieu laser dans lequel l'??paisseur est beaucoup plus petite que le diam??tre du faisceau de pompage. Cela permet un gradient thermique plus uniforme dans le mat??riau. Mince lasers ?? disque ont ??t?? montr?? pour produire ?? des niveaux de puissance de kilowatts.

lasers ?? fibre h??berg??

Lasers ?? semi-conducteurs o?? la lumi??re est guid?? en raison de la r??flexion interne totale dans un wavequide sont appel??s lasers ?? fibres en raison de grand rapport de la longueur ?? la dimension transversale; ce rapport peut varier de ¹⁰ juin-10 septembre; Visuellement, l'??l??ment actif d'un tel laser se pr??sente comme une fibre. Principes de la lumi??re permet aux r??gions de gain extr??mement longues offrant de bonnes conditions de refroidissement; fibres ont une surface sp??cifique ??lev??e par rapport au volume permet un refroidissement efficace. En outre, les propri??t??s de guidage d'ondes de la fibre ont tendance ?? r??duire la distorsion thermique de la poutre.

fibres double gaine. Assez souvent, le laser ?? fibre est con??u comme un fibres double gaine. Ce type de fibres est constitu?? d'un noyau de fibre, une gaine int??rieure et une gaine ext??rieure. L'indice des trois couches concentriques est choisie pour que le coeur de la fibre agit comme une fibre monomode pour l'??mission laser tandis que les actes de rev??tement ext??rieures en tant que noyau fortement multimode pour le laser de pompage. Cela permet la pompe propager une grande quantit?? d'??nergie dans et ?? travers la r??gion interne active de base, tout en ayant une grande ouverture num??rique (NA) d'avoir des conditions de lancement facile.

Fibre lasers de disque. L'utilisation efficace de pompe Laser ?? fibre peut ??tre obtenue ?? la livraison transversale de la pompe; cependant, plusieurs lasers doivent ??tre form??s en une pile. Cette pile peut avoir la forme d'un disque, qui est une alternative ?? la fibres double gaine.

La longueur maximale d'un laser ?? fibre. Les lasers ?? fibre ont une limite fondamentale en ce que l'intensit?? de la lumi??re dans la fibre ne peut pas ??tre si ??lev??e que les non-lin??arit??s optiques induites par la force du champ ??lectrique local peut devenir dominant et emp??cher le fonctionnement du laser et / ou conduire ?? la destruction mat??riau de la fibre. Cet effet est appel?? photodarkening. Dans les mat??riaux en vrac laser, le refroidissement ne est pas tr??s efficace et il est difficile de s??parer les effets de photodarkening contre les effets thermiques, mais les exp??riences de la photodarkening fibres peut ??tre attribu??e ?? la formation de longue vie og des centres de couleur.

des lasers ?? semi-conducteurs

Commercial diodes lasers ??mettent ?? des longueurs d'onde de 375 nm ?? 1800 nm, et les longueurs d'onde de plus de 3 um ont ??t?? d??montr??s. Diodes laser de faible puissance sont utilis??s dans imprimantes laser et des lecteurs CD / DVD. Plus puissantes diodes laser sont fr??quemment utilis??s pour optiquement pomper autres lasers avec une grande efficacit??. Les plus fortes diodes de puissance laser industrielle, avec une puissance allant jusqu'?? 10 kW (70dBm), sont utilis??s dans l'industrie pour la d??coupe et le soudage. ?? cavit?? externe lasers ?? semi-conducteurs ont un milieu actif semi-conducteur dans une cavit?? plus grande. Ces appareils peuvent g??n??rer des sorties de haute puissance avec une bonne qualit?? de faisceau, ??troit en longueur d'onde rayonnement de largeur de raie, ou des impulsions laser ultracourtes.

Lasers ??mettant de surface ?? cavit?? verticale ( VCSEL) sont des lasers semi-conducteurs dont la direction d'??mission est perpendiculaire ?? la surface de la plaquette. dispositifs VCSEL ont g??n??ralement un faisceau de sortie plus circulaire que les diodes laser conventionnelles, et potentiellement pourraient ??tre beaucoup moins cher ?? fabriquer. En 2005, seulement 850 nm VCSEL sont largement disponibles, avec 1300 VCSEL nm commencent ?? ??tre commercialis??s, et 1550 nm dispositifs d'un domaine de recherche. VECSELs sont VCSEL ?? cavit?? externe. Lasers ?? cascade quantique sont des lasers ?? semi-conducteurs qui ont une transition active entre les sous-bandes d'??nergie d'un ??lectron dans une structure contenant plusieurs les puits quantiques.

Le d??veloppement d'un silicium laser est important dans le domaine de informatique optique, puisque cela signifie que si le silicium, le principal ingr??dient des puces informatiques , ??taient en mesure de produire des lasers, ce serait permettre ?? la lumi??re d'??tre manipul?? comme des ??lectrons dans les circuits int??gr??s sont normales. Ainsi, les photons remplaceraient ??lectrons dans les circuits, ce qui augmente consid??rablement la vitesse de l'ordinateur. Malheureusement, le silicium est un mat??riau ?? effet laser difficiles ?? traiter, car il poss??de certaines propri??t??s qui bloquent l'effet laser. Toutefois, r??cemment, les ??quipes ont produit des lasers de silicium par des m??thodes telles que la fabrication d'un mat??riau d'??mission laser ?? partir de silicium et d'autres mat??riaux semi-conducteurs, tels que indium (III) ou du phosphure gallium (III) ars??niure, des mat??riaux qui permettent ?? la lumi??re coh??rente ?? produire ?? partir de silicium. Ils sont appel??s laser hybride de silicium. Un autre type est un Laser Raman, qui tire parti de Diffusion Raman pour produire un laser ?? partir de mat??riaux tels que le silicium.

lasers ?? colorant

utilisent des lasers ?? colorant un colorant organique comme milieu de gain. Le spectre de gain large de colorants disponibles permet ?? ces lasers pour ??tre tr??s accordable, ou de produire de tr??s impulsions de courte dur??e (de l'ordre de quelques-uns femtosecondes)

Lasers ?? ??lectrons libres

Lasers ?? ??lectrons libres, ou FEL, g??n??rer coh??rente rayonnement de puissance, haute, qui est largement accordable, se situant actuellement en longueur d'onde des micro-ondes, ?? travers rayonnement t??rahertz et infrarouge, pour le spectre visible, les rayons X mous. Ils ont la plus large gamme de fr??quence de ne importe quel type de laser. Bien poutres FEL partagent les m??mes traits que les autres lasers optiques, tels que rayonnement coh??rent, le fonctionnement FEL est tr??s diff??rente. Contrairement au gaz, liquide, ou les lasers ?? l'??tat solide, qui se appuient sur les ??tats atomiques ou mol??culaires li??s, FEL utiliser un faisceau d'??lectrons relativistes que le milieu laser, d'o?? l'??lectron libre terme.

Lasers de r??action nucl??aire

En Septembre 2007, le BBC Nouvelles a indiqu?? qu'il y avait des sp??culations sur la possibilit?? d'utiliser positronium l'an??antissement de conduire un tr??s puissant gamma rayon laser. Ce laser est consid??r?? comme assez puissant pour faire d??marrer une r??action nucl??aire, avec un seul laser de rayons gamma, plut??t que les centaines de lasers classiques impliqu??s dans des exp??riences actuelles.

Lasers ?? cristaux photoniques

Lasers bas??s sur des nano-structures qui fournissent le confinement de mode et de la structure DOS requis pour les ??valuations avoir lieu. Ils sont typiques micronique et accordable sur les bandes des cristaux photoniques

L'effet laser al??atoire

Un laser al??atoire est un syst??me form?? par un assemblage au hasard de disperse ??lastiques dispers??es dans un milieu de gain optique.La diffusion de la lumière multiple remplace la cavité optique standard de lasers traditionnels et l'interaction entre le gain et détermine ses propriétés uniques diffusion.

Utilisations

Lasers varient en taille de microscopiqueslasers à diode (en haut) avec de nombreuses applications, à taille terrain de footballnéodyme verrelasers (en bas) utilisés pourfusion par confinement inertiel,armes nucléairesde recherche et d'autres expériences de physique de haute densité d'énergie.

Lorsque les lasers ont été inventés en 1960, ils ont été appelés "une solution à la recherche d'un problème». Depuis lors, ils sont devenus omniprésents, trouver une utilité dans des milliers d'applications très variées dans chaque section de la société moderne, y compris l'électronique de consommation, technologies de l'information, la science , la médecine , l'industrie , l'application de la loi, de divertissement, et la militaire.

La première application de lasers visibles dans la vie quotidienne de la population en général était le supermarchéscanner de codes barres, introduit en 1974. Lelecteur de disque laser, introduit en 1978, a été le premier produit de consommation réussi à inclure un laser, mais ledisque compactjoueur était le premier dispositif laser équipée pour devenir véritablement commune dans les foyers des consommateurs, en commençant en 1982, suivi peu après parles imprimantes laser.

Parmi les autres applications comprennent:

• Médecine: la chirurgie sans transfusion, la guérison de laser, un traitement chirurgical, le traitement de calculs rénaux,le traitement des yeux, la dentisterie
• Industrie: découpe, soudage, traitement thermique matériau, le marquage de pièces
• Défense: Marquage des cibles, de munitions directeurs,la défense antimissile,les contre-mesures électro-optique (EOCM),RADARalternatif
• Recherche: spectroscopie, l'ablation laser, Laser recuit, diffraction laser, interférométrie laser, LIDAR
• Le développement de produits / commerciale: les imprimantes laser,les CD,les scanners de codes à barres, les pointeurs laser,des hologrammes)

En 2004, à l'exclusion des diodes lasers, environ 131 000 lasers ont été vendus dans le monde entier, avec une valeur de 2,19 milliards de dollars. Dans la même année, environ 733 millions de diodes lasers, d'une valeur de 3,20 milliards de dollars, ont été vendus.

Exemples de puissance

Les différentes utilisations doivent lasers avec différentes puissances de sortie. Les lasers qui produisent un faisceau continu ou une série d'impulsions courtes peuvent être comparés sur la base de leur puissance moyenne. Lasers qui produisent des impulsions peuvent également être caractérisés sur la base du pic de puissance de chaque impulsion. La puissance de crête d'un laser pulsé est plusieurs ordres de grandeur supérieure à la puissance moyenne. La puissance de sortie moyenne est toujours inférieure à la puissance consommée.

La puissance continue ou moyen nécessaire pour certaines utilisations:

• 5 mW -lecteur de CD-ROM
• 5-10 mW -lecteur de DVD oulecteur de DVD-ROM
• 100 mW -CD-RW
• 250 mW - haut débitgraveur CD-R
• 500 mW - Consommateurgraveur DVD-R
• 1 W - laser vert en coursde développement de prototype Holographic Versatile Disc
• 30-100 W - CO typique scellé₂lasers chirurgicaux
• 100-3000 W (puissance de pointe de 1,5 kW) - CO typique scellés₂lasers utilisés dans les secteurs industrieldécoupe laser
• 1 kW - Puissance de sortie devrait être réalisé par un 1 cm barre de diode laser prototype

Des exemples de systèmes pulsés à haute puissance de crête:

• 700 TW (700 × 10 ¹² W) - Le National Ignition Facility travaille sur un système qui, une fois terminé, comprendra un 192-poutre, système laser de 1,8 mégajoule attenant à une chambre cible de 10 mètres de diamètre. Le système devrait être achevé en Avril 2009.
• 1.3 PW (1,3 × 10¹⁵W) - laser le plus puissant du mondeà partir de 1998, situé auLaboratoire Lawrence Livermore

Utilisations de loisirs

Au cours des dernières années, certains amateurs ont pris des intérêts dans les lasers. Les lasers utilisés par les amateurs sont généralement de classe IIIa ou IIIb, même si certains ont fait leurs propres types de classe IV. Cependant, par rapport à d'autres amateurs, amateurs de laser sont beaucoup moins fréquents, en raison du coût et les dangers potentiels impliqués. En raison du coût des lasers, des amateurs utilisent des moyens peu coûteux pour obtenir les lasers, les diodes telles que l'extraction à partir de brûleurs de DVD.

Les amateurs ont également été prennent lasers pulsés excédentaires à partir des applications militaires à la retraite et de les modifier pour l'holographie pulsée. Rubis pulsé YAG et des lasers à impulsions ont été utilisées.

Sécurité laser

Consigne de sécurité pour lasers

Même le premier laser a été reconnu comme étant potentiellement dangereux. Theodore Maiman caractérisé le premier laser ayant une puissance d'une " Gillette "; car il pourrait brûler à travers une Gillette lame de rasoir. Aujourd'hui, il est admis que même les lasers de faible puissance avec seulement quelques milliwatts de puissance de sortie peuvent être dangereux pour la vue humaine.

Aux longueurs d'onde qui la cornée et la lentille peuvent se concentrer ainsi, la cohérence et la faible divergence de la lumière laser signifie qu'il peut être porté par l' oeil dans une très petite tache sur la rétine , entraînant une combustion localisée et des dommages permanents en secondes, voire moins temps. Les lasers sont classés dans les classes de sécurité numérotés de I (intrinsèquement sûrs) à IV (même lumière diffusée peut irriter les yeux et / ou des dommages de la peau). Les produits laser disponibles aux consommateurs, tels que des lecteurs CD et des pointeurs laser sont généralement en classe I, II ou III. Certains lasers infrarouges de longueurs d'onde au-delà d'environ 1,4 micromètres sont souvent désignés comme étant «à sécurité oculaire". Ceci est parce que les vibrations moléculaires intrinsèques de l'eau molécules absorbent très fortement la lumière dans cette partie du spectre, et donc un faisceau laser à ces longueurs d'onde est atténuée si complètement comme il passe à travers de l'??il la cornée qu'aucune lumière reste à être focalisé par la lentille sur la rétine . Le label "sécurité oculaire" peut être trompeur, cependant, car il applique uniquement à une puissance relativement faible des faisceaux d'ondes continues et toute puissance élevée ou laser Q-switched à ces longueurs d'onde peut brûler la cornée, provoquant de graves lésions oculaires.

Terminologie relative

Par analogie avec les lasers optiques, un dispositif qui produit des particules ou derayonnement électromagnétiquedans un état ??????cohérent est aussi appelé un "laser", généralement avec indication du type de particule comme préfixe (par exemple,laser à atomes.) Dans la plupart des cas ", laser »fait référence à une source de lumière cohérente ou d'un autrerayonnement électromagnétique.

Le back-verbe forméLASE??????moyen "pour produire une lumière laser» ou «d'appliquer la lumière laser pour".

Prédictions fictifs

Avant émission stimulée a été découvert,romanciersutilisés pour décrire machines que nous pouvons identifier comme "lasers".

• Le premier dispositif de fiction semblable à une coopération militaire₂laser (voirHeat-Ray) apparaît dans le roman de science-fiction La Guerre des MondesdeHG Wells en 1898.
• Un dispositif laser-like a été décrit dansla science-fiction du roman de Tolstoï Alexey Le Hyperboloid d'Ingénieur Garinen 1927: voirRaygun # Dans les scénarios spécifiques (faites défiler jusqu'à l'ordre alphabétique «H» dans la colonne de gauche).
• Mikhaïl Boulgakov exagéré l'effet biologique (biostimulation laser) de lumière rouge intense dans ses sci-fi de nouveaux oeufs mortels (1925), sans aucune description raisonnable de la source de cette lumière rouge. (Dans ce roman, la lumière rouge apparaît de temps en temps du système d'éclairage de pointe d'un microscope, puis le protagoniste Prof. Persikov organise le set-up spéciale pour la production de la lumière rouge.)