Types et fonctionnement des lasers

Les lasers sont classés selon leur milieu amplificateur et leur pompage, et fonctionnent en régimes continu ou pulsé, produits par le déclenchement Q et le blocage de modes.

Definition

La catégorisation des lasers selon leur milieu amplificateur et leur mécanisme d'excitation, ainsi que les modes de fonctionnement, continu ou pulsé, par lesquels leur puissance de sortie et leur structure temporelle sont contrôlées.

Scope

Ce sujet examine les principales classes de lasers et leurs modes de fonctionnement. Il aborde les lasers à gaz tels que l'hélium-néon et le dioxyde de carbone, les lasers à l'état solide comme le rubis, le néodyme et le titane-saphir, les lasers à diode semi-conductrice, les lasers à colorant et à fibre, ainsi que leurs longueurs d'onde caractéristiques et leurs méthodes de pompage. Il couvre également les régimes de fonctionnement : l'émission en onde continue, et la génération d'impulsions courtes et ultracourtes par déclenchement Q et blocage de modes, ainsi que les puissances de crête et les durées d'impulsion résultantes. Il établit un lien entre la physique de l'amplification sous-jacente et la diversité des dispositifs pratiques.

Core questions

• Quels milieux amplificateurs sont utilisés dans les lasers et quelles longueurs d'onde produisent-ils ?
• Comment les différents lasers sont-ils pompés pour créer une inversion de population ?
• Comment le déclenchement Q et le blocage de modes génèrent-ils des impulsions courtes ?
• Quels compromis distinguent le fonctionnement en onde continue du fonctionnement pulsé ?

Key concepts

• laser à gaz
• laser à l'état solide
• laser à diode semi-conductrice
• laser à fibre
• fonctionnement en onde continue
• déclenchement Q
• blocage de modes
• impulsions ultracourtes

Key theories

Classification par milieu amplificateur

Les lasers sont regroupés en lasers à gaz, à l'état solide, à semi-conducteur, à colorant et à fibre ; le milieu amplificateur détermine les longueurs d'onde disponibles, l'efficacité et la puissance, et dicte le pompage approprié par lumière, courant électrique ou décharge.

Fonctionnement pulsé par déclenchement Q et blocage de modes

Le déclenchement Q dégrade puis restaure brusquement le facteur de qualité de la cavité pour libérer l'énergie stockée sous forme d'une impulsion intense de l'ordre de la nanoseconde, tandis que le blocage de modes synchronise de nombreux modes longitudinaux pour produire un train d'impulsions de l'ordre de la picoseconde ou de la femtoseconde.

Clinical relevance

Différents types de lasers conviennent à diverses applications médicales : les lasers à dioxyde de carbone pour la découpe des tissus mous, les lasers au néodyme et à l'erbium pour les procédures ophtalmiques et dermatologiques, les lasers excimères pour le remodelage cornéen, et les lasers à diode pour la photocoagulation, le fonctionnement pulsé permettant une interaction tissulaire précise et à faible dommage collatéral.

History

Maiman a construit le premier laser, un dispositif à rubis pulsé, en 1960 ; Javan et ses collègues ont démontré le laser à gaz hélium-néon continu peu après, et le groupe de Hall a produit le premier laser à diode semi-conductrice en 1962. Les décennies suivantes ont vu l'ajout des lasers à dioxyde de carbone, à colorant, à fibre et au titane-saphir, ainsi que des techniques de déclenchement Q et de blocage de modes.

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre un laser à onde continue et un laser pulsé ?

Un laser à onde continue émet un faisceau stable de puissance constante, tandis qu'un laser pulsé concentre son énergie en brèves rafales, atteignant une puissance de crête bien supérieure à sa puissance moyenne pour les applications nécessitant des expositions intenses et courtes.

Comment les impulsions ultracourtes de femtosecondes sont-elles produites ?

Le blocage de modes contraint de nombreux modes longitudinaux du laser à osciller avec une relation de phase fixe, de sorte qu'ils interfèrent pour former une impulsion extrêmement courte qui circule dans la cavité et est émise sous forme de train régulier.