Comment créer un rayon laser

Contenu

• Définition laser
• Comment sont fabriqués les faisceaux laser
• Inversion de population
• Principe laser
• Catégorisation des types de lasers
• Composants de lasers
• Laser Hélium-Néon
• Lasers à ions argon, krypton et xénon
• Lasers au dioxyde de carbone
• Excimer Lasers

En exploitant la puissance de la lumière au moyen de lasers, vous pouvez utiliser les lasers à diverses fins et les comprendre mieux en étudiant la physique et la chimie sous-jacentes qui les font fonctionner.

Généralement, un laser est produit par un matériau laser, qu'il soit solide, liquide ou gazeux, qui émet un rayonnement sous forme de lumière. En tant qu'acronyme pour "amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement", la méthode des émissions stimulées montre en quoi les lasers se différencient des autres sources de rayonnement électromagnétique. Savoir comment ces fréquences de lumière émergent peut vous permettre d'exploiter leur potentiel pour diverses utilisations.

Définition laser

Les lasers peuvent être définis comme un dispositif qui active les électrons pour émettre un rayonnement électromagnétique. Cette définition du laser signifie que le rayonnement peut prendre n'importe quelle forme sur le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.

Généralement, la lumière des lasers se déplace sur un chemin étroit, mais les lasers avec une large gamme d'ondes émises sont également possibles. Grâce à ces notions de lasers, vous pouvez les considérer comme des vagues, tout comme les vagues de l’océan au bord de la mer.

Les scientifiques ont décrit les lasers en termes de cohérence, une caractéristique qui décrit si la différence de phase entre deux signaux est en phase et s'ils ont la même fréquence et la même forme d'onde. Si vous imaginez des lasers comme des vagues avec des pics, des vallées et des creux, la différence de phase serait de savoir combien une vague n’est pas tout à fait en phase avec une autre ou à quelle distance les deux vagues se chevaucheraient.

La fréquence de la lumière est le nombre de pics d'onde traversant un point donné en une seconde, et la longueur d'onde correspond à la longueur totale d'une onde unique, du creux au creux ou du pic au maximum.

Les photons, particules individuelles d’énergie quantique, constituent le rayonnement électromagnétique d’un laser. Ces paquets quantifiés signifient que la lumière d’un laser a toujours l’énergie comme un multiple de l’énergie d’un seul photon et qu’elle se présente dans ces "paquets" quantiques. C'est ce qui rend les ondes électromagnétiques semblables à des particules.

Comment sont fabriqués les faisceaux laser

De nombreux types de dispositifs émettent des lasers, tels que des cavités optiques. Ce sont des chambres qui réfléchissent la lumière d’un matériau émettant un rayonnement électromagnétique. Ils sont généralement constitués de deux miroirs, un à chaque extrémité du matériau, de sorte que, lorsqu'ils réfléchissent la lumière, les faisceaux deviennent plus forts. Ces signaux amplifiés sortent à travers une lentille transparente à l'extrémité de la cavité laser.

En présence d'une source d'énergie, telle qu'une batterie externe qui fournit du courant, le matériau qui émet un rayonnement électromagnétique émet la lumière du laser à divers états d'énergie. Ces niveaux d'énergie, ou niveaux quantiques, dépendent du matériau source lui-même. Les états d’énergie plus élevés des électrons dans le matériau sont plus susceptibles d’être instables ou excités, et le laser les émettra par sa lumière.

Contrairement aux autres lampes, telles que la lumière d’une lampe de poche, les lasers émettent de la lumière par intervalles réguliers. Cela signifie que la crête et le creux de chaque vague d'un laser s'alignent avec ceux des ondes qui viennent avant et après, rendant leur lumière cohérente.

Les lasers sont conçus de manière à émettre de la lumière à des fréquences spécifiques du spectre électromagnétique. Dans de nombreux cas, cette lumière se présente sous la forme de faisceaux étroits et discrets que les lasers émettent à des fréquences précises, mais certains lasers émettent de larges plages de lumière continues.

Inversion de population

Une caractéristique d'un laser alimenté par une source d'énergie externe pouvant se produire est l'inversion de population. Il s'agit d'une forme d'émission stimulée, qui survient lorsque le nombre de particules dans un état excité est supérieur à celui d'un nombre de particules inférieur.

Lorsque le laser réalise l'inversion de population, la quantité de cette émission stimulée que la lumière peut créer sera supérieure à la quantité d'absorption des miroirs. Cela crée un amplificateur optique et, si vous en placez un dans une cavité optique résonante, vous créez un oscillateur laser.

Principe laser

Ces méthodes d’excitation et d’émission d’électrons constituent la base des lasers en tant que source d’énergie, principe du laser utilisé dans de nombreuses applications. Les niveaux quantifiés que les électrons peuvent occuper vont des niveaux d'énergie basse qui ne nécessitent pas beaucoup d'énergie à être libérée aux particules d'énergie élevée qui restent proches du noyau. Lorsque l'électron se libère en raison de la collision d'atomes entre l'orientation correcte et le niveau d'énergie correct, il s'agit d'une émission spontanée.

Lorsque l'émission spontanée se produit, le photon émis par l'atome a une phase et une direction aléatoires. En effet, le principe d'incertitude empêche les scientifiques de connaître à la fois la position et la quantité de mouvement d'une particule avec une précision parfaite. Plus vous en savez sur la position des particules, moins vous en savez sur son élan, et inversement.

Vous pouvez calculer l'énergie de ces émissions en utilisant l'équation de Planck E = hν pour une énergie E en joules, fréquence ν de l'électron en s^-1 et constante de Plancks h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. L'énergie qu'un photon a lorsqu'elle est émise par un atome peut également être calculée comme un changement d'énergie. Pour trouver la fréquence associée à ce changement d’énergie, calculez ν en utilisant les valeurs d'énergie de cette émission.

Catégorisation des types de lasers

Étant donné le large éventail d'utilisations des lasers, les lasers peuvent être classés en fonction de leur objectif, du type de lumière ou même des matériaux des lasers eux-mêmes. Trouver un moyen de les classer doit prendre en compte toutes ces dimensions des lasers. Une façon de les regrouper est d'utiliser la longueur d'onde de la lumière utilisée.

La longueur d'onde d'un rayonnement électromagnétique de lasers détermine la fréquence et la force de l'énergie utilisée. Une plus grande longueur d'onde est en corrélation avec une plus petite quantité d'énergie et une plus petite fréquence. En revanche, une fréquence plus élevée d'un faisceau de lumière signifie qu'il a plus d'énergie.

Vous pouvez également regrouper les lasers en fonction de la nature du matériau laser. Les lasers à l'état solide utilisent une matrice solide d'atomes, telle que le néodyme, utilisée dans le cristal Garnet d'Yttrium-Aluminium, qui contient les ions néodyme de ces types de laser. Les lasers à gaz utilisent un mélange de gaz dans un tube, comme l’hélium et le néon, qui créent une couleur rouge. Les lasers à colorant sont créés à partir de colorants organiques dans des solutions ou des suspensions liquides

Les lasers à colorant utilisent un milieu laser qui est généralement un colorant organique complexe en solution ou en suspension liquide. Les lasers à semi-conducteurs utilisent deux couches de matériau semi-conducteur qui peuvent être intégrées dans des réseaux plus grands. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui conduisent l'électricité en utilisant la résistance d'un isolant à un conducteur et qui utilisent de petites quantités d'impuretés ou de produits chimiques introduits en raison de l'introduction de produits chimiques ou des changements de température.

Composants de lasers

Pour leurs utilisations différentes, tous les lasers utilisent ces deux composants d’une source de lumière sous forme de solide, de liquide ou de gaz qui émet des électrons et un moyen de stimuler cette source. Cela peut être un autre laser ou l'émission spontanée du matériau laser lui-même.

Certains lasers utilisent des systèmes de pompage, des méthodes d’augmentation de l’énergie des particules dans le milieu laser qui leur permettent d’atteindre leurs états excités et d’inverser la population. Une lampe à flash à gaz peut être utilisée dans le pompage optique qui transporte de l'énergie vers le matériau laser. Dans les cas où l'énergie des matériaux laser repose sur des collisions d'atomes dans le matériau, le système est appelé pompage par collision.

Les composants d'un faisceau laser varient également en termes de temps nécessaire pour fournir de l'énergie. Les lasers à onde continue utilisent une puissance de faisceau moyenne stable. Les systèmes à puissance plus élevée permettent généralement de régler la puissance, mais dans le cas des lasers à gaz à puissance plus faible, comme les lasers à hélium-néon, le niveau de puissance est fixé en fonction du contenu du gaz.

Laser Hélium-Néon

Le laser à hélium-néon a été le premier système à onde continue et est connu pour émettre une lumière rouge. Historiquement, ils utilisaient des signaux radiofréquences pour exciter leur matériau, mais ils utilisent maintenant une petite décharge de courant continu entre les électrodes situées dans le tube du laser.

Lorsque les électrons de l'hélium sont excités, ils donnent de l'énergie aux atomes de néon par le biais de collisions qui créent une inversion de population entre les atomes de néon. Le laser hélium-néon peut également fonctionner de manière stable aux hautes fréquences. Son utilisé dans l'alignement des pipelines, l'arpentage et dans les rayons X.

Lasers à ions argon, krypton et xénon

Trois gaz rares, l'argon, le krypton et le xénon, ont montré une utilisation dans des applications laser sur des dizaines de fréquences laser couvrant des rayons ultraviolets à infrarouges. Vous pouvez également mélanger ces trois gaz pour produire des fréquences et des émissions spécifiques. Ces gaz sous leurs formes ioniques laissent leurs électrons s’exciter en se heurtant jusqu’à obtenir une inversion de population.

De nombreux modèles de ces types de lasers vous permettent de sélectionner une certaine longueur d'onde à émettre par la cavité pour obtenir les fréquences souhaitées. Manipuler la paire de miroirs dans la cavité peut également vous permettre d’isoler des fréquences de lumière singulières. Les trois gaz, argon, krypton et xénon, vous permettent de choisir parmi de nombreuses combinaisons de fréquences lumineuses.

Ces lasers produisent des sorties très stables et ne génèrent pas beaucoup de chaleur. Ces lasers présentent les mêmes principes chimiques et physiques que ceux utilisés dans les phares, ainsi que dans les lampes électriques lumineuses telles que les stroboscopes.

Lasers au dioxyde de carbone

Les lasers à dioxyde de carbone sont les plus efficaces et les plus efficients des lasers à ondes continues. Ils fonctionnent en utilisant un courant électrique dans un tube à plasma contenant du dioxyde de carbone. Les collisions d'électrons excitent ces molécules de gaz qui dégagent ensuite de l'énergie. Vous pouvez également ajouter de l'azote, de l'hélium, du xénon, du dioxyde de carbone et de l'eau pour produire différentes fréquences laser.

Lorsque vous examinez les types de laser pouvant être utilisés dans différents domaines, vous pouvez déterminer ceux qui peuvent générer de grandes quantités de puissance car ils ont un taux de rendement élevé, de sorte qu’ils utilisent une proportion importante de l’énergie qui leur est donnée sans trop en laisser. aller à perdre. Alors que les lasers à hélium-néon ont un taux d'efficacité inférieur à 0,1%, le taux pour les lasers à dioxyde de carbone est d'environ 30%, soit 300 fois celui des lasers à hélium-néon. Malgré cela, les lasers à dioxyde de carbone ont besoin d'un revêtement spécial, contrairement aux lasers à hélium-néon, pour réfléchir ou transmettre leurs fréquences appropriées.

Excimer Lasers

Les lasers Excimer utilisent des rayons ultraviolets (UV) qui, lorsqu'ils ont été inventés pour la première fois en 1975, ont tenté de créer un faisceau de lasers focalisé pour plus de précision en microchirurgie et en microlithographie industrielle. Leur nom vient du terme "dimère excité" dans lequel un dimère est le produit de combinaisons de gaz excités électriquement avec une configuration de niveau d'énergie qui crée des fréquences spécifiques de la lumière dans la plage UV du spectre électromagnétique.

Ces lasers utilisent des gaz réactifs comme le chlore et le fluor, ainsi que des quantités de gaz rares comme l'argon, le krypton et le xénon. Les médecins et les chercheurs explorent encore leurs utilisations dans les applications chirurgicales, étant donné leur puissance et leur efficacité pour les applications laser de chirurgie oculaire. Les lasers Excimer ne génèrent pas de chaleur dans la cornée, mais leur énergie peut rompre les liaisons intermoléculaires dans le tissu cornéen selon un processus appelé "décomposition photoablative" sans causer de lésions oculaires inutiles.