Introduction à la théorie, à la classification et à l'application du laser

Lasers - dispositifs qui émettent des lasers.

Le premier amplificateur quantique hyperfréquence a été fabriqué en 1954 et le faisceau hyperfréquence était très cohérent.

En 1958, A.L.Scholl et C.H. tuns a appliqué le principe des amplificateurs quantiques hyperfréquences à la gamme des fréquences lumineuses. En 1960, T.H. maiman et al. fait le premier laser rubis.

En 1961, a. jarvin et al. fait un laser he-ne.

En 1962, R.N. hall et al. créé des lasers à semi-conducteur à l'arséniure de gallium.

À l'avenir, il y aura de plus en plus de types de lasers.

Selon le milieu de travail, le laser peut être divisé en quatre catégories: laser à gaz, laser solide, laser à semi-conducteur et laser à colorant.

Récemment, des lasers à électrons libres ont été développés. Les lasers haute puissance sont généralement pulsés.

Principe:

Tous les types de lasers ont les mêmes principes de fonctionnement de base, à l'exception du laser à électrons libres. La condition essentielle pour produire un laser est l'inversion du nombre de particules et le gain sur la perte. Par conséquent, le composant indispensable de l'appareil comprend deux parties: une source d'excitation (ou de pompage) et un milieu de travail avec un niveau d'énergie métastable.

L'excitation est l'excitation du milieu de travail après avoir absorbé l'énergie étrangère à l'état excité, pour atteindre et maintenir les conditions d'inversion du nombre de particules.

Il existe des incitations optiques, électriques, chimiques et nucléaires.

Le niveau d'énergie sous-stable du milieu de travail rend le rayonnement stimulé dominant, réalisant ainsi l'amplification optique.

Les composants communs d'un laser comprennent une cavité résonante, mais la cavité (voir la cavité optique) n'est pas un composant essentiel. La cavité permet aux photons dans la cavité d'avoir une fréquence, une phase et une direction de fonctionnement cohérentes, conférant ainsi au laser une bonne directivité et cohérence.

De plus, il peut raccourcir la longueur du matériau de travail et ajuster le mode du laser produit en changeant la longueur de la cavité (c'est-à-dire la sélection du mode). Par conséquent, la plupart des lasers ont une cavité résonante.

Substance de travail au laser

Le terme fait référence au système de substance utilisé pour réaliser l'inversion du nombre de particules et générer de la lumière par amplification de rayonnement stimulée, parfois également appelé milieu de gain laser, ils peuvent être solides (cristal, verre), gazeux (gaz atomique, gaz ionique, gaz moléculaire), semi-conducteur et milieu liquide.

La principale exigence pour le matériau de travail au laser est d'obtenir un grand degré d'inversion du nombre de particules entre les niveaux d'énergie spécifiques des particules de travail et de maintenir l'inversion aussi efficace que possible pendant tout le processus d'émission laser.

Par conséquent, il est nécessaire que la substance de travail ait une structure de niveau d'énergie et des caractéristiques de transition appropriées.

3. Système de pompage d'excitation

Désigne un mécanisme ou un dispositif qui fournit de l'énergie à une substance de travail laser pour réaliser et maintenir une inversion du nombre de particules.

Selon la substance de travail et les conditions de fonctionnement du laser, différentes méthodes et dispositifs d'excitation peuvent être adoptés.

Actionnement optique (pompe à lumière).

L'ensemble du dispositif d'excitation est généralement composé de sources lumineuses à décharge (telles que lampe au xénon, lampe à krypton) et concentrateur. Cette méthode d'excitation est également appelée pompe à lampe.

, excitation par décharge de gaz.

L'ensemble du dispositif d'excitation est généralement composé de l'électrode de décharge et de l'alimentation électrique de décharge.

Chimie.

L'inversion du nombre de particules est obtenue en utilisant le processus de réaction chimique se produisant dans la substance de travail, qui nécessite généralement des réactifs chimiques appropriés et des mesures d'amorçage correspondantes.

Énergie nucléaire.

Des fragments de fission, des particules de haute énergie ou des rayonnements produits par de petites réactions de fission nucléaire sont utilisés pour exciter le matériau de travail et réaliser une inversion du nombre de particules.

Cavité optique

Il est généralement composé de deux miroirs avec certaines propriétés géométriques et optiques.

L'effet est de fournir une rétroaction optique de sorte que les photons de rayonnement excités voyagent d'avant en arrière dans la cavité plusieurs fois pour former des oscillations continues cohérentes.

La direction et la fréquence des faisceaux oscillants dans la cavité sont limitées pour garantir que le laser de sortie est directionnel et monochromatique.

L'effet de cavité est déterminé par la forme géométrique (rayon de courbure de la surface réfléchissante) et la combinaison relative des deux miroirs qui constituent généralement la cavité.

Les forces sont déterminées par les caractéristiques de perte sélective de différentes directions de déplacement et de différentes fréquences de lumière dans un type de cavité donné.

Il existe de nombreux types de lasers.

Dans la partie suivante, la classification de la substance de travail laser, du mode d'excitation, du mode de fonctionnement et de la plage de longueurs d'onde de sortie sera introduite.

Substance de travail

Tous les lasers peuvent être divisés dans les catégories suivantes en fonction des différents états physiques de la substance de travail: le reste du laser solide (cristal et verre).

Le laser gazeux est un gaz, et il peut être divisé en laser à gaz atomique, laser à gaz ionique, laser à gaz moléculaire et laser à gaz excimer selon les différentes propriétés des particules de travail dans le gaz qui génèrent réellement une émission stimulée.

Les substances actives adoptées par ce type de laser comprennent une solution de colorant fluorescent organique et une solution de composé inorganique contenant des ions de métaux des terres rares, dans lesquels les ions métalliques (tels que Nd) agissent comme des particules de travail et des liquides composés inorganiques (tels que SeOCl2) agissent comme substrat.

(4) laser à semi-conducteur, le laser est un matériau matériel semi-conducteur en tant que substance de travail produite par une émission stimulée de rayonnement, dont le principe passe par certaines incitations (pompe d'injection électrique, injection de faisceau d'électrons lumineux ou à haute énergie), entre la bande interdite de matériau semi-conducteur ou entre bande et niveau d'impureté, en stimulant le porteur et l'équilibre de l'inversion de population, le rôle de la lumière est produit par émission stimulée de rayonnement;

(5) laser à électrons libres, il s'agit d'un type spécial de nouveau type de laser, matériau de travail pour les changements périodiques dans l'espace du mouvement à grande vitesse dans le faisceau d'électrons libres directionnels du champ magnétique, tant que la vitesse de changement du faisceau d'électrons libres peut produire un rayonnement électromagnétique cohérent accordable, en principe, le spectre de rayonnement cohérent peut passer des longueurs d'onde des rayons X à la zone des micro-ondes, il est donc très tentant.

Vi. Des incitations

Laser pompe à lumière.

Désigne les lasers qui sont pompés par la lumière, y compris presque tous les lasers solides et liquides, ainsi que quelques lasers à gaz et semi-conducteurs.

Un laser électriquement excité.

La plupart des lasers à gaz sont excités par une décharge de gaz (décharge à courant continu, décharge à courant alternatif, décharge à impulsions, injection par faisceau d'électrons), tandis que la plupart des lasers à semi-conducteur courants sont alimentés par injection de courant de jonction. Certains lasers à semi-conducteurs peuvent également être excités par injection de faisceau d'électrons à haute énergie.

Lasers chimiques.

Il s'agit d'un laser qui utilise l'énergie libérée par les réactions chimiques pour exciter le matériau de travail. Les réactions chimiques peuvent être déclenchées respectivement par la lumière, déchargées ou déclenchées chimiquement.

Est le laser de la pompe nucléaire.

Un type de laser spécial, tel qu'un laser hélium-argon à pompage nucléaire, qui utilise l'énergie libérée par une petite réaction de fission nucléaire pour exciter le matériau de travail.

Vii. Mode de fonctionnement

En raison des différents matériaux de travail, des modes d'excitation et des objectifs d'application, le mode de fonctionnement et l'état de fonctionnement du laser sont différents, qui peuvent être divisés en les principaux types suivants.

Le laser continu est caractérisé par l'excitation de la substance active et la sortie laser correspondante, qui peuvent être effectuées en continu sur une longue période. Le laser solide excité par la source de lumière continue et le laser à gaz et le laser à semi-conducteur actionné par l'excitation électrique continue sont de ce type.

En raison de l'effet inévitable de surchauffe des appareils en fonctionnement continu, la plupart d'entre eux doivent prendre des mesures de refroidissement appropriées.

(2) un laser à impulsion unique, pour ce type de laser, les incitations matérielles et l'émission laser correspondante, à partir du moment où tout est un processus d'impulsion unique, le laser à l'état solide général, le laser liquide, ainsi que certains lasers à gaz spéciaux, adoptent de cette façon, l'effet de chauffage de l'appareil à ce moment peut être ignoré, il ne peut donc pas prendre de mesures de refroidissement spéciales.

(3) laser à impulsions répétitives, ces appareils se caractérisent par leur sortie est une série d'impulsions laser répétées, par conséquent, le dispositif peut être des incitations appropriées, sous la forme d'impulsions répétitives ou de motivation sur la base d'un processus d'oscillation laser à modulation continue, mais dans d'une certaine manière, pour obtenir une sortie laser à impulsions répétitive, nécessite généralement des mesures de refroidissement efficaces sont prises à l'appareil.

(4) le laser, qui se réfère spécifiquement à l'adoption d'une certaine technologie de commutation pour obtenir une sortie de puissance élevée de laser pulsé, son principe de fonctionnement est dans l'état de travail de la matière d'inversion de population ne le fait pas après la formation de l'oscillation laser ( l'interrupteur est fermé), après avoir attendu que les particules s'accumulent à un niveau suffisamment élevé, un interrupteur soudainement instantané, qui peut être dans une période de temps relativement courte (10 ~ 10 secondes, par exemple), forme une oscillation laser très forte et un laser à impulsion haute puissance sortie (voir '\"class = link> technologie laser).

(5) les lasers à verrouillage de mode, qui sont une sorte de technologie à verrouillage de mode utilisée par laser de type spécial, dont le travail est caractéristique par la cavité de résonance a une relation de phase définie entre les différents modes longitudinaux, peut donc obtenir une série de vues également espacées dans le temps impulsion ultra-courte laser, largeur d'impulsion 10 à 10 secondes), si vous adoptez en outre une technologie spéciale de commutation optique rapide, à partir de la sélection d'une séquence d'impulsions unique d'impulsions laser ultra-courtes (voir la technologie laser à verrouillage de mode).

6 monomode et la stabilisation de fréquence laser, le laser monomode se réfère à l'adoption d'une certaine limite après que la technologie du moule est dans un état de fonctionnement en mode transversal unique ou en mode longitudinal unique du laser, les mesures de stabilisation de fréquence laser se réfèrent à l'adoption de un certain contrôle automatique de la longueur d'onde de sortie du laser ou de la stabilité de fréquence sous une certaine précision dans le cadre des dispositifs laser spéciaux, dans certains cas, peut également être transformé en fonctionnement monomode et en laser spécial capable de dispositifs de contrôle de stabilité de fréquence automatique (voir le technologie de stabilisation de fréquence laser).

En général, la longueur d'onde de sortie d'un laser accordable est fixe, mais la longueur d'onde de sortie de certains lasers peut être modifiée dans une plage continue et contrôlable en utilisant une technique d'accord spéciale. Ce type de laser est appelé laser accordable (voir la technique d'accord laser).

Gamme de bande

Différents types de lasers peuvent être divisés en les types suivants en fonction de la plage de longueurs d'onde du laser de sortie.

La gamme de longueurs d'onde de sortie du laser infrarouge lointain est comprise entre 25 ~ 1000 microns. La sortie laser de certains lasers à gaz moléculaire et laser à électrons libres tombe dans cette zone.

Le laser nir fait référence à un appareil laser dont la longueur d'onde de sortie du laser est dans la région infrarouge moyen (2,5 ~ 25 microns), qui est représentée par le laser à gaz moléculaire CO (10,6 microns) et le laser à gaz moléculaire CO (5 ~ 6 microns).

Le laser passif proche infrarouge est un appareil laser dont la longueur d'onde de sortie laser est dans la région proche infrarouge (0,75 ~ 2,5 microns), représentée par un laser solide dopé au néodyme (1,06 microns), un laser à diode semi-conductrice CaAs (environ 0,8 microns) et certains lasers à gaz.

(4) le laser visible, fait référence à la longueur d'onde de sortie du laser dans la gamme spectrale visible (4000 ~ 7000 ou 0,4 ~ 0,7 microns) du dispositif laser, représentants du laser rubis (6943), du laser he-ne (6328), de l'argon laser ionique (4880, 5145), laser ionique krypton (4762, 5208, 5682, 6471) et certains des lasers à colorant accordables, etc.

Le laser proche ultraviolet, dont la plage de longueurs d'onde de sortie du laser se situe dans la région du spectre proche ultraviolet (2000-4000 angströms), est représenté par un laser moléculaire à azote (3371 angströms), un laser excimère au xénon fluoré (XeF) (3511 angströms, 3531 angströms). , laser excimer au fluorure de krypton (KrF) (2490 angströms) et certains lasers à colorant accordables.

La gamme de longueurs d'onde du laser de sortie se situe dans la région du spectre ultraviolet sous vide (50 ~ 2000 angströms), représentée par le laser moléculaire (H) (1644 ~ 1098 angströms), le laser excimère au xénon (Xe) (1730 angströms), etc.

Des rayons X mous ont été développés, mais sont encore au stade exploratoire.

Ix. Objectifs principaux

Le laser est l'un des composants essentiels du système de traitement laser moderne.

Avec le développement de la technologie de traitement au laser, le laser s'est développé et de nombreux nouveaux lasers sont apparus.

Les premiers lasers de traitement au laser sont des lasers à gaz CO2 haute puissance et des lasers YAG solides à pompage de lumière.

De l'histoire du développement de la technologie de traitement au laser, le premier laser est apparu au milieu du tube laser CO2 scellé au milieu des années 1970. Jusqu'à présent, le laser CO2 de cinquième génération, refroidi par diffusion, a fait son apparition.

Il ressort du développement que le premier laser CO2 est incliné dans la direction du développement de l'amélioration de la puissance du laser. Cependant, lorsque la puissance du laser atteint une certaine exigence, la qualité du faisceau du laser est prise au sérieux et le développement du laser est transféré à la qualité du faisceau de réglage élevé.

Le laser CO2 à lamelles de refroidissement par diffusion qui apparaît à proximité de la limite de diffraction a une bonne qualité de faisceau et a été largement utilisé, notamment dans le domaine de la découpe laser, qui est privilégié par de nombreuses entreprises.

Au début du 21e siècle, un autre nouveau type de laser - laser à semi-conducteur est apparu.

Comparé au laser solide CO2 et YAG à haute puissance traditionnel, le laser à semi-conducteur présente les avantages techniques évidents, tels que la mention de petit, léger, à haut rendement, à faible consommation d'énergie, à longue durée de vie et à forte absorption de métal par laser à semi-conducteur, avec le développement continu de la technologie laser à semi-conducteur, le laser à semi-conducteur basé sur d'autres lasers solides, tels que les lasers à fibre, le laser à semi-conducteur à pompe à semi-conducteurs, comme le développement de laser à dalle, est également très rapide.

Parmi eux, les lasers à fibres se sont développés rapidement, en particulier les lasers à fibres dopées aux terres rares devraient être largement utilisés dans les domaines de la communication par fibres, de la détection des fibres et du traitement des matériaux par laser.

En raison de ses caractéristiques exceptionnelles, le laser a été utilisé dans de nombreux domaines tels que l'industrie, l'agriculture, la mesure et la détection de précision, la communication et le traitement de l'information, le traitement médical et l'armée, et a fait des percées révolutionnaires dans de nombreux domaines.

Dans l'armée, le laser a été utilisé pour les communications, la vision nocturne, l'alerte précoce, la télémétrie et d'autres aspects, une variété d'armes laser et d'armes de guidage laser ont également été utilisées.

1. Le laser est utilisé comme source de chaleur.

Le faisceau laser est petit et transporte une énorme quantité d'énergie. La mise au point avec un objectif, par exemple, peut concentrer l'énergie sur une toute petite zone et générer d'énormes quantités de chaleur.

Par exemple, les gens peuvent utiliser l'énergie concentrée et extrêmement élevée du laser pour traiter divers matériaux et percer 200 trous sur une aiguille.

En tant que moyen de provoquer une stimulation, une variation, une cautérisation et une vaporisation sur des organismes biologiques, le laser a obtenu de bons résultats dans l'application pratique de la médecine et de l'agriculture.

2. Télémétrie laser.

En tant que source lumineuse télémétrique, le laser peut mesurer des distances très éloignées grâce à sa bonne directivité, sa puissance élevée et sa haute précision.

3. Communication laser.

Dans les communications, un câble optique qui utilise un faisceau laser pour transmettre des signaux peut transporter autant d'informations que 20 000 fils de cuivre.

4. Application de la collecte contrôlée de noyaux dans l'air.

En tirant le laser dans un mélange de deutérium et de tritium, le laser leur donne d'énormes quantités d'énergie, produisant des pressions et des températures élevées, provoquant la fusion des deux noyaux en hélium et en neutrons, et libérant d'énormes quantités d'énergie de rayonnement en même temps .

Étant donné que l'énergie laser peut être contrôlée, le processus est appelé fusion nucléaire contrôlée.

À l'avenir, avec la poursuite de la recherche et du développement de la technologie laser, les performances du laser seront encore améliorées et le coût sera encore réduit, mais sa gamme d'applications sera encore élargie et il jouera un rôle de plus en plus énorme.