Principe de génération laser

Pourquoi avons-nous besoin de connaître le principe des lasers ?

Connaître les différences entre les lasers à semi-conducteurs courants, les fibres, les disques etlaser YAGpeut également permettre de mieux comprendre et de participer à davantage de discussions durant le processus de sélection.

L'article se concentre principalement sur la vulgarisation scientifique : une brève introduction au principe de la génération laser, à la structure principale des lasers et à plusieurs types courants de lasers.

Premièrement, le principe de la génération laser

Le laser est généré par l'interaction entre la lumière et la matière, un phénomène connu sous le nom d'amplification du rayonnement stimulé ; la compréhension de l'amplification du rayonnement stimulé nécessite la compréhension des concepts d'Einstein d'émission spontanée, d'absorption stimulée et de rayonnement stimulé, ainsi que de certains fondements théoriques nécessaires.

Base théorique 1 : Modèle de Bohr

Le modèle de Bohr décrit principalement la structure interne des atomes, facilitant ainsi la compréhension du fonctionnement des lasers. Un atome est composé d'un noyau et d'électrons gravitant autour de ce noyau. Les orbitales électroniques ne sont pas arbitraires ; elles sont limitées à certains types d'orbitales. L'orbitale la plus interne est appelée état fondamental. À l'état fondamental, l'énergie de l'électron est minimale. Lorsqu'un électron passe d'une orbite à une autre, on parle de premier état excité, dont l'énergie est supérieure à celle de l'état fondamental. Une autre orbite correspond à un deuxième état excité.

L'émission laser est possible car, dans ce modèle, les électrons se déplacent sur différentes orbites. Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie, il passe de l'état fondamental à un état excité. Si un électron retourne de l'état excité à l'état fondamental, il libère de l'énergie, souvent sous forme d'émission laser.

Base théorique 2 : La théorie du rayonnement stimulé d'Einstein

En 1917, Einstein proposa la théorie du rayonnement stimulé, qui constitue le fondement théorique des lasers et de leur production : l’absorption ou l’émission de matière résulte essentiellement de l’interaction entre le champ de rayonnement et les particules qui composent la matière, et son principe fondamental repose sur la transition des particules entre différents niveaux d’énergie. L’interaction entre la lumière et la matière se déroule selon trois processus distincts : l’émission spontanée, l’émission stimulée et l’absorption stimulée. Dans un système contenant un grand nombre de particules, ces trois processus coexistent toujours et sont étroitement liés.

Émission spontanée :

Comme le montre la figure : un électron sur le niveau d'énergie élevé E2 passe spontanément au niveau d'énergie bas E1 et émet un photon avec une énergie hv, et hv=E2-E1 ; Ce processus de transition spontané et non lié est appelé transition spontanée, et les ondes lumineuses émises par les transitions spontanées sont appelées rayonnement spontané.

Caractéristiques de l'émission spontanée : chaque photon est indépendant, avec une direction et une phase différentes, et son occurrence est également aléatoire. Il s'agit d'une lumière incohérente et chaotique, non adaptée au fonctionnement du laser. Par conséquent, le processus de génération laser doit minimiser ce type de lumière parasite. C'est aussi l'une des raisons pour lesquelles les lasers présentent de la lumière parasite à différentes longueurs d'onde. Bien maîtrisée, la proportion d'émission spontanée dans le laser peut être négligée. Plus le laser est pur, comme celui à 1060 nm (où l'émission est exclusivement à 1060 nm), plus son taux d'absorption et sa puissance sont relativement stables.

Absorption stimulée :

Après avoir absorbé des photons, les électrons situés à des niveaux d'énergie inférieurs (orbitales basses) passent à des niveaux d'énergie supérieurs (orbitales hautes). Ce processus est appelé absorption stimulée. L'absorption stimulée est cruciale et constitue l'un des principaux mécanismes de pompage. La source de pompage du laser fournit l'énergie photonique nécessaire à la transition des particules du milieu amplificateur, qui attendent ensuite un rayonnement stimulé à des niveaux d'énergie supérieurs pour émettre le faisceau laser.

Rayonnement stimulé :

Lorsqu'il est irradié par une lumière d'énergie externe (hv = E₂ - E₁), l'électron, initialement à un niveau d'énergie élevé, est excité par le photon externe et passe à un niveau d'énergie inférieur (il passe de l'orbite haute à l'orbite basse). Simultanément, il émet un photon identique au photon externe. Ce processus n'absorbe pas la lumière d'excitation initiale ; il en résulte deux photons identiques, ce qui peut s'interpréter comme l'émission par l'électron du photon précédemment absorbé. Ce processus de luminescence est appelé rayonnement stimulé et est l'inverse de l'absorption stimulée.

Une fois la théorie établie, la construction d'un laser est très simple, comme illustré dans la figure ci-dessus : dans des conditions normales de stabilité du matériau, la grande majorité des électrons se trouvent à l'état fondamental. Le laser repose sur le rayonnement stimulé. Sa structure permet donc, dans un premier temps, l'absorption stimulée, qui amène les électrons à un niveau d'énergie élevé, puis fournit une excitation pour provoquer le rayonnement stimulé d'un grand nombre d'électrons de haut niveau d'énergie, libérant ainsi des photons. C'est ainsi que le laser est généré. Nous allons maintenant présenter la structure du laser.

Structure du laser :

Associez une à une la structure du laser aux conditions de génération laser mentionnées précédemment :

Condition d'occurrence et structure correspondante :

1. Il existe un milieu amplificateur qui fournit un effet d'amplification en tant que milieu de travail du laser, et ses particules activées ont une structure de niveau d'énergie adaptée à la génération d'un rayonnement stimulé (principalement capables de pomper des électrons vers des orbitales de haute énergie et d'y exister pendant une certaine période de temps, puis de libérer des photons en une seule respiration par rayonnement stimulé) ;

2. Il existe une source d'excitation externe (source de pompage) qui peut pomper des électrons du niveau inférieur vers le niveau supérieur, provoquant une inversion du nombre de particules entre les niveaux supérieur et inférieur du laser (c'est-à-dire lorsqu'il y a plus de particules de haute énergie que de particules de basse énergie), comme la lampe au xénon dans les lasers YAG ;

3. Il existe une cavité résonante qui permet d'obtenir une oscillation laser, d'augmenter la longueur de travail du matériau laser, de filtrer le mode d'onde lumineuse, de contrôler la direction de propagation du faisceau et d'amplifier sélectivement la fréquence de rayonnement stimulé pour améliorer la monochromaticité (en garantissant que le laser est émis à une certaine énergie).

La structure correspondante est illustrée dans la figure ci-dessus ; il s’agit d’une structure simple de laser YAG. D’autres structures peuvent être plus complexes, mais le principe de base reste le même. Le processus de génération du laser est illustré dans la figure :

Classification des lasers : généralement classés selon le milieu amplificateur ou la forme d’énergie laser.

Classement moyen du gain :

Laser à dioxyde de carboneLe milieu amplificateur du laser à dioxyde de carbone est l'hélium etLaser CO2,Avec une longueur d'onde laser de 10,6 µm, il s'agit de l'un des premiers produits laser commercialisés. Les premiers procédés de soudage laser reposaient principalement sur le laser à dioxyde de carbone, aujourd'hui surtout utilisé pour le soudage et la découpe de matériaux non métalliques (tissus, plastiques, bois, etc.). Il est également employé dans les machines de lithographie. Le laser à dioxyde de carbone ne peut être transmis par fibre optique et se propage par des chemins optiques spatiaux. Les premiers procédés de soudage laser (Tongkuai) ont donné des résultats relativement satisfaisants et ont permis d'utiliser de nombreux équipements de découpe.

Laser YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium) : des cristaux de YAG dopés aux ions néodyme (Nd) ou yttrium (Yb) servent de milieu amplificateur, avec une longueur d'onde d'émission de 1,06 µm. Le laser YAG peut produire des impulsions de haute fréquence, mais sa puissance moyenne est faible, la puissance de crête pouvant atteindre 15 fois la puissance moyenne. Fonctionnant principalement en mode impulsionnel, il ne permet pas une émission continue. Cependant, il peut être transmis par fibres optiques et, grâce à l'augmentation du taux d'absorption des matériaux métalliques, il commence à être utilisé avec des matériaux à haute réflectivité, notamment dans le domaine des technologies 3C.

Laser à fibre : La technologie dominante actuelle sur le marché utilise une fibre dopée à l’ytterbium comme milieu amplificateur, avec une longueur d’onde de 1060 nm. On distingue deux types de lasers : les lasers à fibre et les lasers à disque, selon la forme du milieu ; le laser à fibre optique est appelé IPG (Integrated Power Laser), tandis que le laser à disque est appelé Tongkuai (Tongkuai).

Laser à semi-conducteur : le milieu amplificateur est une jonction PN semi-conductrice, et la longueur d'onde du laser à semi-conducteur est principalement de 976 nm. Actuellement, les lasers semi-conducteurs proche infrarouge sont principalement utilisés pour le gainage, avec des spots lumineux supérieurs à 600 µm. Laserline est une entreprise emblématique dans le domaine des lasers à semi-conducteur.

Classés selon la forme d'action énergétique : laser pulsé (PULSE), laser quasi continu (QCW), laser continu (CW)

Laser pulsé : nanoseconde, picoseconde, femtoseconde. Ce laser pulsé haute fréquence (ns, durée d’impulsion) permet souvent d’atteindre une énergie de crête élevée et un traitement à haute fréquence (MHz). Il est utilisé pour le traitement de matériaux minces et dissemblables comme le cuivre et l’aluminium, ainsi que pour le nettoyage. Grâce à sa haute énergie de crête, il permet une fusion rapide du matériau de base, avec un temps d’action court et une zone affectée thermiquement réduite. Il présente des avantages pour le traitement de matériaux ultra-minces (moins de 0,5 mm).

Laser quasi continu (QCW) : En raison de la fréquence de répétition élevée et du faible rapport cyclique (inférieur à 50 %), la largeur d’impulsion deLaser QCWLa durée d'impulsion atteint 50 µs à 50 ms, comblant ainsi l'écart entre les lasers à fibre continus de puissance kilowatt et les lasers à impulsions à commutation Q. La puissance de crête d'un laser à fibre quasi continu peut atteindre 10 fois la puissance moyenne en mode continu. Les lasers QCW possèdent généralement deux modes : le soudage continu à basse puissance et le soudage laser pulsé avec une puissance de crête 10 fois supérieure à la puissance moyenne. Ce dernier permet de souder des matériaux plus épais et de générer davantage de chaleur, tout en contrôlant la température avec une grande précision.

Laser continu (CW) : C’est le type de laser le plus couramment utilisé. La plupart des lasers disponibles sur le marché sont des lasers CW qui émettent un faisceau laser continu pour le soudage. Les lasers à fibre se divisent en lasers monomodes et multimodes selon le diamètre de leur cœur et la qualité de leur faisceau, et peuvent être adaptés à différentes applications.