La technologie laser a été intégrée dans la vie quotidienne du monde moderne. Différents types de générateurs laser fonctionnent à différentes longueurs d'onde, affichent des caractéristiques différentes et sont donc utilisés à des fins différentes.
Selon le support utilisé, les générateurs laser sont divisés en six types : générateurs laser à solide, à gaz, à colorant, à diode, à fibre et à électrons libres. Parmi eux, il existe de nombreuses subdivisions de lasers à solide et à gaz. À l'exception des lasers à électrons libres, la plupart des méthodes de génération de laser sont basées sur le même mécanisme, basé sur des composants tels que la source de pompe, le résonateur optique et le milieu de gain.
Cet article vous présente les types de générateurs laser les plus courants, leurs caractéristiques et leurs applications.
Générateur laser à semi-conducteurs
Dans les générateurs laser à semi-conducteurs, la lumière est généralement utilisée comme source de pompage, et le cristal ou le verre est utilisé pour générer la lumière laser. Le matériau est composé d'une matrice et d'un ion activé. Le matériau de matrice fournit un environnement pour que l'ion activé génère un laser. Les ions activés couramment utilisés sont principalement des ions de métaux de transition, tels que les ions chrome, cobalt et nickel, et des ions de métaux de terres rares, tels que les ions néodyme. Les miroirs recouverts de films diélectriques sont utilisés comme miroirs résonateurs, notamment un miroir plein et un demi-miroir. Avec une combinaison de différents ions activés et matériaux de matrice et longueurs d'onde d'excitation lumineuse, des lasers de différentes longueurs d'onde sont émis.
La longueur d'onde laser émise par le générateur laser rubis est de 694.3 nm et le taux de conversion photoélectrique est aussi faible que 0.1 %. Cependant, sa durée de vie fluorescente est longue, ce qui est propice au stockage d'énergie, et il peut produire une puissance de crête d'impulsion élevée. Le laser généré par une tige de rubis avec une épaisseur d'un noyau de stylo et un long faisceau peut facilement pénétrer une feuille de fer. Avant l'émergence de systèmes laser YAG plus efficaces, les systèmes laser rubis étaient largement utilisés dans la découpe et le perçage. De plus, la lumière à 694 nm est facilement absorbée par la mélanine, c'est pourquoi les lasers à rubis sont également utilisés dans le traitement des lésions pigmentées (taches cutanées).
Le générateur laser Ti:Sapphire a une large gamme de longueurs d'onde réglables de 660 nm à 1200 nm. Lorsqu'il est utilisé avec la technologie de doublage de fréquence (qui peut doubler la fréquence de la lumière, c'est-à-dire réduire de moitié la longueur d'onde), la plage de longueur d'onde peut être étendue à 330 nm-600 nm. Les systèmes laser titane saphir sont utilisés dans la spectroscopie femtoseconde, la recherche en optique non linéaire, la génération de lumière blanche, la génération d'ondes térahertz, etc., et ont également des applications en beauté médicale.
YAG est l'acronyme de grenat d'aluminium et d'yttrium, qui est actuellement la meilleure matrice cristalline laser. Après avoir été dopé au néodyme (Nd), il peut émettre une lumière de 1064 nm et la puissance de sortie continue maximale peut atteindre 1000w. Au début, une lampe flash à gaz inerte était utilisée comme source de pompage, mais la méthode de pompe à lampe flash a une large plage spectrale, une mauvaise coïncidence avec le spectre d'absorption du milieu de gain et une charge thermique importante, entraînant une faible taux de conversion photoélectrique. En utilisant le pompage par diode laser (LD), le système peut produire une lumière laser avec un rendement élevé, une puissance élevée et une longue durée de vie.
Les générateurs laser Nd:YAG peuvent être utilisés dans le traitement des hémangiomes et inhiber la croissance tumorale. Cependant, l'endommagement thermique du tissu n'est pas sélectif. Lors de la coagulation des vaisseaux sanguins de la tumeur, l'excès d'énergie endommagera également les tissus normaux environnants et il est facile de laisser des cicatrices après la chirurgie. Par conséquent, le laser Nd:YAG est principalement utilisé en chirurgie, gynécologie, ORL et moins en dermatologie.
Yb:YAG, Ytterbium (Yb) est dopé en YAG, qui peut produire une lumière de 1030 nm. La longueur d'onde de pompe de Yb: YAG est de 941 nm, ce qui est très proche de la longueur d'onde de sortie, ce qui peut atteindre une efficacité quantique de pompe de 91.4 %. Cela signifie que la majeure partie de l'énergie d'entrée est convertie en énergie de sortie alors que seule une petite partie de l'énergie se transforme en chaleur. La chaleur générée par la pompe est supprimée à moins de 10%, un pourcentage relativement faible par rapport au Nd:YAG, qui perd 25% à 30% d'énergie sous forme de chaleur. Yb: YAG est devenu l'un des supports laser à semi-conducteurs les plus attrayants, et les générateurs laser à semi-conducteurs haute puissance Yb: YAG pompés par LD sont devenus un nouveau point chaud de recherche, avec un potentiel de solide à haute efficacité et haute puissance. -générateurs laser d'état.
En plus des deux éléments ci-dessus, le YAG peut être dopé avec de l'holmium (Ho), de l'erbium (Er) et de nombreux autres éléments. Ho:YAG produit des lasers 2097nm et 2091nm sans danger pour les yeux, principalement pour les communications optiques, les radars et les applications médicales. Er:YAG émet une lumière de 2.9 μm et le corps humain a un taux d'absorption élevé de cette longueur d'onde, il a donc un grand potentiel d'utilisation pour la chirurgie au laser et la chirurgie vasculaire.
Générateur laser à gaz
Les générateurs laser à gaz sont des systèmes laser qui utilisent le gaz comme milieu de gain, pompant généralement des décharges de gaz. Les types de gaz comprennent le gaz atomique (hélium-néon, ion de gaz noble et vapeur métallique), le gaz moléculaire (azote et dioxyde de carbone) et le gaz excimère. Ils sont généralement produits par des réactions chimiques.
Le générateur laser HeNe (HeNe) utilise un mélange de 75 % ou plus de He et de 15 % ou moins de Ne comme milieu de gain. Selon l'environnement de travail, il peut émettre du vert (543.5 nm), du jaune (594.1 nm), de l'orange (612.0 nm), du rouge (632.8 nm) et trois types de lumière proche infrarouge (1152 nm, 1523 nm et 3391 nm), dont la lumière rouge (632.8 nm) est la plus couramment utilisée. Le faisceau émis par le générateur laser HeNe a une distribution gaussienne et la qualité du faisceau est très stable. Bien que la puissance ne soit pas élevée, il a de bonnes performances dans le domaine de la mesure de précision.
Les générateurs laser à gaz rares courants fonctionnent avec des ions argon (Ar+) et des ions krypton (Kr+). Son taux de conversion d'énergie peut atteindre jusqu'à 0.6 %, et il peut produire en continu et de manière stable une puissance de 30 à 50 W pendant une longue période, et sa durée de vie dépasse 1000 h. Ce type de laser est principalement utilisé dans l'affichage laser, la spectroscopie Raman, l'holographie, l'optique non linéaire et d'autres domaines de recherche, ainsi que le diagnostic médical, la séparation des couleurs d'impression, le traitement des matériaux de métrologie et le traitement de l'information.
Les générateurs laser à vapeur de métal fonctionnent avec de la vapeur de métal. Par exemple, le générateur laser à vapeur de cuivre émet principalement de la lumière verte (510.5 nm) et de la lumière jaune (578.2 nm), qui peuvent atteindre une puissance moyenne de 100 W et une puissance de crête de 100 kW. Son application principale est la source de pompage des générateurs laser à colorant. En outre, il peut également être utilisé pour la photographie au flash à grande vitesse, la télévision à projection sur grand écran et le traitement des matériaux.
Le générateur laser moléculaire à l'azote utilise l'azote comme milieu de gain, qui peut émettre une lumière ultraviolette de 337.1 nm, 357.7 nm et 315.9 nm, et la puissance de crête peut atteindre 45 kW. Il peut être utilisé comme source de lumière de pompe pour les générateurs laser à colorant organique et est également largement utilisé dans la séparation laser des isotopes, le diagnostic de fluorescence, la photographie ultra-rapide, la détection de la pollution, les soins médicaux et de santé et l'élevage agricole. Parce que sa courte longueur d'onde est plus facile à focaliser pour obtenir une petite tache, il peut également être utilisé pour traiter des composants submicroniques.
Le milieu de gain utilisé dans le générateur laser CO2 est du dioxyde de carbone mélangé à de l'hélium et de l'azote, qui peut émettre une lumière infrarouge lointain centrée sur des longueurs d'onde de 9.6 μm et 10.6 μm. Le générateur a un taux de conversion d'énergie élevé, la puissance de sortie peut aller de plusieurs watts à des dizaines de milliers de watts, et la qualité extrêmement élevée du faisceau rend le générateur laser CO2 largement utilisé dans le traitement des matériaux, la recherche scientifique, la défense nationale et la médecine.
Les excimères sont des molécules instables qui sont remplies de mélanges de différents gaz rares et de gaz halogène dans le résonateur pour générer des lasers de différentes longueurs d'onde. L'excitation est généralement réalisée par des faisceaux d'électrons relativistes (énergie supérieure à 200 keV) ou par des décharges impulsionnelles rapides transversales. Lorsque les liaisons moléculaires instables de l'excimère à l'état excité sont rompues et dissociées en atomes à l'état fondamental, l'énergie de l'état excité est libérée sous forme de rayonnement laser. Il est largement utilisé dans la médecine, la communication optique, l'affichage à semi-conducteurs, la télédétection, les armes laser et d'autres domaines.
Le générateur laser chimique est un type spécial de système laser à gaz qui utilise l'énergie libérée par les réactions chimiques pour réaliser l'inversion du nombre de particules. La plupart d'entre eux fonctionnent en mode de transition moléculaire et la plage de longueurs d'onde typique se situe dans la région spectrale du proche infrarouge au moyen infrarouge. Les plus importants sont les dispositifs au fluorure d'hydrogène (HF) et au fluorure de deutérium (DF). Le premier peut produire plus de 15 raies spectrales entre 2.6 et 3.3 microns ; ce dernier comporte environ 25 raies spectrales comprises entre 3.5 et 4.2 microns. Les deux appareils sont actuellement capables de sorties de plusieurs mégawatts. En raison de son énorme énergie, il est généralement utilisé dans le génie nucléaire et les domaines militaires.
Générateur laser à colorant
Les générateurs laser à colorant utilisent un colorant organique comme milieu laser, généralement une solution liquide. Les générateurs laser à colorant peuvent généralement être utilisés sur une gamme de longueurs d'onde plus large que les supports laser gazeux et à l'état solide. Leur large bande passante les rend particulièrement adaptés aux générateurs laser accordables et pulsés. Cependant, en raison de sa courte durée de vie et de sa puissance de sortie limitée, il est essentiellement remplacé par des lasers à semi-conducteurs accordables en longueur d'onde tels que le titane saphir.
Générateur laser à diodes
Le générateur laser à diode est un système laser qui utilise des matériaux semi-conducteurs comme support. Il existe trois modes d'excitation : l'injection électrique, l'excitation par faisceau d'électrons et le pompage optique. En raison de sa petite taille, de son prix bas, de son rendement élevé, de sa longue durée de vie et de sa faible consommation d'énergie, il peut être utilisé dans l'information électronique, l'impression laser, le pointeur laser, la communication optique, la télévision laser, le petit projecteur laser, l'information électronique, l'optique intégrée , et d'autres domaines.
Générateur de laser à fibre
Le générateur laser à fibre est un type de système laser qui utilise une fibre de verre dopée aux terres rares comme milieu de gain. Il peut être utilisé pour l'impression de rouleaux, le forage métallique et non métallique, la découpe, le soudage (brasage, trempe à l'eau, revêtement et soudage profond), l'armée, la défense et la sécurité, l'équipement médical, les infrastructures à grande échelle et comme pompe pour d'autres sources laser.
Générateur laser à électrons libres
Le générateur laser à électrons libres est un nouveau type de source de rayonnement cohérent de haute puissance différent des générateurs laser traditionnels. Il n'a pas besoin de gaz, de liquide ou de solide comme milieu mais convertit directement l'énergie cinétique d'un faisceau d'électrons à haute énergie en énergie de rayonnement cohérente. Par conséquent, on peut également considérer que la substance de travail du générateur laser à électrons libres est constituée d'électrons libres. Il présente une série d'excellentes caractéristiques telles qu'une puissance élevée, un rendement élevé, une large plage de réglage de longueur d'onde et une structure temporelle d'impulsions ultra-courtes. À part cela, aucun générateur laser ne peut avoir ces fonctionnalités en même temps. Il a des perspectives considérables dans les domaines de la recherche en physique, des armes laser, de la fusion laser, de la photochimie et des communications optiques.
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