Le rayonnement laser a les propriétés physiques suivantes :

1. Haute cohérence spatiale et temporelle. Cela signifie que certaines relations de phase entre les ondes individuelles sont maintenues pendant un certain temps, non seulement en un point donné de l'espace, mais également entre les oscillations se produisant en différents points. Cette cohérence des processus permet de focaliser un faisceau de rayonnement laser sur une tache de diamètre égal à la longueur d'onde de ce rayonnement. Cela vous permet d'augmenter l'intensité déjà élevée du faisceau laser.

2. Rayonnement monochromatique strict. La gamme de longueurs d'onde Δλ émises par le laser atteint une valeur de ~ 10 -15 m (en moyenne Δλ< 10 -11).

3. Densité de flux énergétique élevée. Par exemple, un laser néodyme génère des impulsions d'une durée de 3,10 -12 s et d'une énergie de 75 J, ce qui correspond à une puissance de 2,5,10 13 W (la puissance de la centrale hydroélectrique de Krasnoïarsk est de 6,10 9 W )! A titre de comparaison, notons également que l'intensité de la lumière solaire à la surface de la Terre n'est que de 10 3 W/m 2, alors que les systèmes laser peuvent produire une intensité allant jusqu'à 10 20 W/m 2.

Les propriétés inhabituelles du rayonnement laser trouvent de nombreuses applications pratiques. Dans l'industrie, les lasers sont utilisés pour le traitement, la découpe et le micro-soudage de matériaux solides (par exemple, le perçage de trous calibrés dans le diamant), la détection rapide et précise des défauts de traitement de surface, etc. En science, le rayonnement laser est utilisé pour étudier le mécanisme des réactions chimiques et l'obtention de substances ultra-pures ; pour séparer les isotopes et étudier le plasma à haute température ; pour des mesures à distance ultra précises de déplacements, d'indices de réfraction, de pression et de température (en astronomie). La haute cohérence du rayonnement laser a permis de mettre en œuvre une méthode fondamentalement nouvelle d'enregistrement et de restauration d'images, basée sur l'interférence et la diffraction des ondes. Cette méthode d'obtention d'une image tridimensionnelle s'appelait holographie (du mot grec holos - tout). Il se compose de la manière suivante (Fig. 7) : un objet 2 est placé devant l'écran photodétecteur (photoplaque) 3. Un miroir translucide 4 divise le faisceau laser en une onde de référence 7 et un signal 8. L'onde de référence 7, focalisée par l'objectif 5, est réfléchie par le miroir 6 directement sur la plaque photographique. L'onde de signal 8 frappe le photodétecteur après réflexion de l'objet 2. Parce que les ondes 7 et 8 sont cohérentes, puis se chevauchent, elles forment un motif d'interférence sur la plaque photographique. Après développement du photodétecteur, un hologramme est obtenu - un « négatif » du motif d'interférence de l'addition de deux ondes lumineuses cohérentes 7 et 8.

Lorsque l'hologramme est éclairé par une onde lumineuse identique à l'onde de référence sous l'angle approprié, la diffraction de cette onde de « lecture » se produit sur un « réseau de diffraction », qui est une figure d'interférence enregistrée sur l'hologramme. De ce fait, l'image de l'objet inscrit sur l'hologramme est restaurée (devient observable).

Si le photodétecteur a une épaisseur de couche photosensible comparable à la distance entre les franges d'interférence adjacentes, un hologramme plat bidimensionnel conventionnel est obtenu, mais si l'épaisseur de la couche est bien supérieure à la distance entre les franges, un hologramme plat bidimensionnel est obtenu, mais si l'épaisseur de la couche est bien supérieure à la distance entre les franges, un hologramme tridimensionnel (volumétrique) l'image est obtenue.

Il est également possible de restituer une image à partir d'un hologramme volumétrique en lumière blanche (lumière du soleil ou lumière d'une lampe à incandescence ordinaire) - l'hologramme lui-même « sélectionne » dans le spectre continu la longueur d'onde qui peut restituer l'image enregistrée sur l'hologramme.

Considérons les principaux effets de l'interaction du rayonnement laser avec la matière et les objets biologiques.

Effet thermique. Lorsque le rayonnement laser est absorbé par la matière, les tissus humains, les animaux et les plantes, une partie importante de l'énergie du champ électromagnétique se transforme en chaleur. Dans les tissus biologiques, l'absorption se produit de manière sélective, car Les éléments structurels inclus dans les tissus ont des indices d'absorption et de réflexion différents. L'effet thermique de l'irradiation laser est déterminé par l'intensité du flux lumineux et le degré de son absorption par le tissu. Dans ce cas, les changements qui se produisent dans les tissus s’apparentent à une brûlure. Cependant, contrairement à une brûlure, les limites de la zone d'augmentation locale de la température sont clairement définies. Cela est dû à la très petite section transversale du faisceau laser, à la courte durée d'exposition et à la mauvaise conductivité thermique des tissus biologiques. Les enzymes les plus sensibles aux augmentations de température sont les premières à être détruites lorsqu'elles sont chauffées, ce qui entraîne un ralentissement des réactions biochimiques dans les cellules. Avec une intensité d'irradiation laser suffisante, une coagulation (dénaturation irréversible) des protéines et une destruction complète des tissus peuvent se produire.

Effet d'impact. La génération de chaleur dans la zone affectée par le faisceau laser se produit en millionièmes, voire en centaines de millionièmes de seconde. L'évaporation instantanée des particules tissulaires et leur expansion volumétrique rapide provoquent une forte augmentation de pression dans la zone de chauffage. En conséquence, une onde de choc apparaît dans les composants liquides des cellules et des tissus, qui se propage à une vitesse supersonique (~1 500 m/s) et peut provoquer des dommages.

Phénomènes électriques. Le rayonnement laser, de par sa nature, est un champ électromagnétique. Si la composante électrique de ce champ est suffisamment grande, l’action du faisceau laser provoquera une ionisation et une excitation des atomes et des molécules. Dans les tissus biologiques, cela peut conduire à une destruction sélective des liaisons chimiques dans les molécules, à la formation de radicaux libres et, par conséquent, à divers processus pathologiques chez les animaux et les humains. On suppose qu’ils provoquent des mutations chimiques, l’apparition de cancers et le vieillissement biologique.

Les propriétés du rayonnement laser énumérées ci-dessus et les effets de son interaction avec les tissus biologiques déterminent les possibilités uniques d'utilisation des lasers en biologie expérimentale et en médecine.

Focalisé sur un diamètre de quelques microns seulement, le faisceau laser devient un outil de recherche et de microchirurgie au niveau cellulaire. En irradiant certaines parties des chromosomes, vous pouvez provoquer des modifications de l'hérédité. Un tel faisceau laser permet de séparer des fragments individuels d'une macromolécule et d'en « coudre » de nouveaux à leur place. L'utilisation des lasers a permis de résoudre techniquement un certain nombre de problèmes en cytologie, en cytogénétique, enembryologie et dans d'autres domaines des sciences biologiques.

Les principaux domaines d'application des lasers en médecine sont la chirurgie, l'ophtalmologie et l'oncologie.

En chirurgie, on utilise des lasers CO 2 d'une puissance de 30 ÷ 100 W, fonctionnant en mode continu. Les propriétés d’un faisceau laser pour détruire les tissus biologiques, combinées à la coagulation des protéines, permettent des dissections sans effusion de sang. Un scalpel laser présente de nombreux avantages par rapport à un scalpel traditionnel. Les principaux problèmes de la chirurgie sont la douleur, les saignements et la stérilité. Ces problèmes peuvent être résolus très simplement grâce à l'utilisation d'un laser : le rayonnement laser, contrairement à un scalpel classique, ne peut pas introduire d'infection : il stérilise le tissu disséqué, même s'il est déjà infecté par suppuration ; aucune perte de sang ne se produit, car les vaisseaux sanguins sont instantanément obstrués par du sang coagulé ; Le scalpel laser n’exerce pas de pression mécanique sur les tissus, ce qui réduit la sensation de douleur. De plus, à l'aide d'endoscopes modernes et de guides de lumière flexibles (fibre optique), le rayonnement laser peut être introduit dans les cavités internes, permettant ainsi d'arrêter l'hémorragie interne et d'évaporer la suppuration sans ouvrir les organes. À des fins chirurgicales, notre pays a créé les installations « Scalpel-1 » (P = 30 W) et « Romashka-1 » (P = 100 W).

En ophtalmologie, on utilise des lasers à rubis pulsés (durée d'impulsion 30 ÷ 70 ns ; E = 0,1 ÷ 0,3 J), qui permettent de réaliser un certain nombre d'opérations complexes sans compromettre l'intégrité de l'œil : soudage de la rétine décollée à la choroïde (ophtalmocoagulateur) ; traitement du glaucome en perçant un trou d'un diamètre de 50 à 100 nm avec un faisceau laser pour drainer le liquide afin de réduire la pression intraoculaire ; traitement de certains types de cataractes et autres défauts de l'iris. Pour le traitement du glaucome, l'installation Yatagan-1 a été créée.

En oncologie, le rayonnement laser est utilisé pour exciser et nécroser les cellules des tumeurs malignes. Lors de la nécrose des tumeurs malignes, la sélectivité de l'absorption du rayonnement laser par divers tissus est utilisée. Par exemple, certaines tumeurs pigmentées (mélanome, hémangiome) absorbent le rayonnement laser beaucoup plus intensément que les tissus environnants. Dans le même temps, la chaleur est libérée à une vitesse fulgurante dans un volume microscopique de tissu avec formation d’une onde de choc. Ces facteurs provoquent la destruction des cellules malignes. Avec une exposition pulsée, la température des tissus à une profondeur de 4 à 5 mm s'élève à 55 à 60 0 C. Lors de l'utilisation de lasers fonctionnant en mode continu, la température peut être augmentée jusqu'à 100 0 C. Un rayonnement laser focalisé est utilisé pour influencer les tumeurs (d = 1,5 ÷3 mm à la surface de l'objet) avec une intensité I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Il a été établi que le rayonnement laser présente un certain nombre d'avantages par rapport à la thérapie aux rayons X utilisée pour traiter le cancer de la peau : la charge de rayonnement est considérablement réduite et les coûts sont plusieurs fois réduits. En utilisant un rayonnement moins intense, il est possible de supprimer la croissance des cellules cancéreuses (thérapie au laser). À cette fin, une installation laser spéciale "Pulsator-1" ou des lasers à argon d'une puissance allant jusqu'à 1 W sont utilisés. Le cancer de la peau peut être guéri grâce au laser dans 97 % des cas.

Comparé à d’autres sources lumineuses, un laser possède un certain nombre de propriétés uniques liées à la cohérence et à la haute directivité de son rayonnement. Le rayonnement des sources lumineuses « non laser » ne présente pas ces caractéristiques. La puissance émise par un corps chauffé est déterminée par sa température T. La valeur la plus élevée possible du flux de rayonnement atteint pour un corps absolument noir est W = 5,7 × 10-12xT 4 W/cm 2. La puissance de rayonnement augmente rapidement avec l'augmentation de T et atteint des valeurs très élevées pour des T élevés. Ainsi, chaque 1 cm 2 de la surface du Soleil (T = 5 800 K) émet une puissance W = 6,4 × 10 3 W. Cependant, le rayonnement d’une source thermique se propage dans toutes les directions à partir de la source. La formation d'un faisceau dirigé à partir d'une telle source, réalisée à l'aide d'un système de diaphragmes ou de systèmes optiques constitués de lentilles et de miroirs, s'accompagne toujours d'une perte d'énergie. Aucun système optique ne permet d'obtenir à la surface d'un objet éclairé une puissance de rayonnement supérieure à celle de la source lumineuse elle-même.

Si l'intensité du rayonnement laser est comparée à l'intensité du rayonnement d'un corps absolument noir dans les mêmes intervalles spectraux et angulaires, on obtient des températures incroyablement élevées, des milliards de fois ou plus supérieures aux températures réellement atteignables des sources de lumière thermique. De plus, la faible divergence du rayonnement permet, à l'aide de systèmes optiques conventionnels, de concentrer l'énergie lumineuse dans des volumes négligeables, créant ainsi d'énormes densités d'énergie. La cohérence et la directionnalité du rayonnement ouvrent des possibilités fondamentalement nouvelles pour l'utilisation de faisceaux lumineux là où les sources lumineuses non laser ne sont pas applicables.

La directivité du rayonnement laser est largement déterminée par le fait que dans un résonateur ouvert, seules les ondes dirigées le long de l'axe du résonateur ou selon de très petits angles par rapport à celui-ci peuvent être excitées. Avec un degré élevé de cohérence spatiale, l'angle de divergence du faisceau laser peut être rendu proche de la limite déterminée par diffraction. Les valeurs typiques sont : pour les lasers à gaz (0,5-5)x10 -3 radians, pour les lasers à solide (2-20)x10 -3 radians, pour les lasers à semi-conducteurs (5-50)x10 -2 radians.

De plus, le rayonnement d’une source thermique n’est pas monochromatique ; il remplit une large gamme de longueurs d’onde. Par exemple, le spectre du rayonnement solaire couvre les gammes de longueurs d'onde ultraviolettes, visibles et infrarouges. Pour augmenter la monochromaticité du rayonnement, des monochromateurs sont utilisés, qui permettent d'isoler une région relativement étroite d'un spectre continu, ou des sources lumineuses à décharge gazeuse à basse pression sont utilisées, qui produisent des raies spectrales atomiques ou moléculaires étroites discrètes. L'intensité du rayonnement dans les raies spectrales ne peut cependant pas dépasser l'intensité du rayonnement d'un corps absolument noir, dont la température est égale à la température d'excitation des atomes et des molécules. Ainsi, dans les deux cas, la monochromatisation du rayonnement se fait au prix d’énormes pertes d’énergie. Plus la raie spectrale est étroite, moins il y a d’énergie émise.

La différence fondamentale entre les lasers et toutes les autres sources lumineuses, qui sont essentiellement des sources de bruit optique, réside dans le haut degré de cohérence du rayonnement laser. Avec la création de lasers dans le domaine optique, des sources de rayonnement sont apparues, similaires aux générateurs de signaux cohérents familiers dans le domaine radio, capables d'être utilisées avec succès à des fins de communication et de transfert d'informations, et dans bon nombre de leurs propriétés - directivité du rayonnement, fréquence transmise bande, faible niveau de bruit, concentration d'énergie dans le temps, etc. - supérieur aux appareils radio classiques.

Dans le cas d'un laser fonctionnant en mode multimode, la monochromaticité est liée au nombre de modes générés et peut être de plusieurs gigahertz. En mode de fonctionnement pulsé, la largeur minimale de ligne est limitée par l'inverse de la durée d'impulsion.

Le degré élevé de monochromaticité du rayonnement laser détermine la densité d'énergie spectrale élevée - un degré élevé de concentration d'énergie lumineuse dans une très petite plage spectrale. Une monochromaticité élevée facilite la focalisation du rayonnement laser, puisque l'aberration chromatique de la lentille devient insignifiante. La cohérence. Les lasers ont un degré extrêmement élevé de cohérence du rayonnement, temporel et spatial, par rapport aux autres sources lumineuses.

Actuellement, les lasers couvrent la gamme des ondes ultraviolettes aux ondes submillimétriques, les premiers succès ont été obtenus dans la création de lasers à rayons X et des lasers accordables en fréquence ont été créés.

En raison de leur directivité élevée, les sources de lumière laser ont une luminosité très élevée, ce qui signifie qu'une intensité lumineuse très élevée peut être produite au niveau de la cible. Ainsi, un laser hélium-néon d'une puissance de seulement 10 mW et d'une divergence de rayonnement de 3 × 10 -4 radians avec une surface de faisceau de 0,1 cm 2 a une luminosité de 10 6 W / (cm 2 * stéradian), qui est plusieurs fois supérieure à la luminosité du Soleil (130 W/(cm 2 stéradians)).

Les propriétés énumérées ci-dessus font des lasers des sources lumineuses uniques et déterminent la possibilité de leurs nombreuses applications.

La conception du laser et les propriétés de l'émission stimulée déterminent la différence entre le rayonnement laser et le rayonnement des sources lumineuses conventionnelles. Le rayonnement laser (LR) se caractérise par les propriétés importantes suivantes.

1. Très cohérent. Le rayonnement est très cohérent, ce qui est dû aux propriétés d’émission stimulée et stimulée. Dans ce cas, il y a non seulement une cohérence temporelle, mais aussi spatiale : la différence de phase en deux points du plan perpendiculaire à la direction de propagation reste constante (Fig. a) (en raison de la cohérence spatiale, le rayonnement peut être focalisé dans un très petit volume).

2. Monochromatique. Le rayonnement laser est très monochromatique, c'est-à-dire qu'il contient des ondes presque de la même fréquence (les photons ont la même énergie). Cela est dû au fait que l'émission stimulée est associée à une duplication de photons (chaque photon stimulé est complètement similaire à l'original). Dans ce cas, une onde électromagnétique de fréquence constante se forme. La largeur de la raie spectrale est de 0,01 nm. En figue. c montre une comparaison schématique de la largeur de raie d’un faisceau laser et d’un faisceau de lumière ordinaire.

Avant l'avènement des lasers, un rayonnement avec un certain degré de monochromaticité pouvait être obtenu à l'aide de dispositifs - des monochromateurs, qui distinguent des intervalles spectraux étroits (bandes de longueurs d'onde étroites) d'un spectre continu, mais la puissance lumineuse dans ces bandes est faible.

3. Haute puissance. En utilisant un laser, vous pouvez fournir une puissance de rayonnement monochromatique très élevée - jusqu'à 10 5 W en mode continu. La puissance des lasers pulsés est supérieure de plusieurs ordres de grandeur. C'est ainsi qu'un laser au néodyme génère une impulsion avec de l'énergie E= 75 J dont la durée t= 3·10 –12 s. La puissance d'impulsion est égale à R.= E/t= 2,5 10 13 W (à titre de comparaison : énergie hydroélectrique R.~ 10 9 W).

4. Haute intensité. Dans les lasers pulsés, l’intensité du rayonnement laser est très élevée et peut atteindre je= 10 14 -10 16 W/cm 2 (cf. intensité du soleil près de la surface terrestre je= 0,1 W/cm2).

5. Haute luminosité. Pour les lasers fonctionnant dans le domaine visible, luminosité le rayonnement laser (intensité lumineuse par unité de surface) est très élevé. Même les lasers les plus faibles ont une luminosité de 10 15 cd/m 2 (à titre de comparaison : la luminosité du Soleil L~ 10 9 cd/m2).

6. Pression. Lorsqu'un faisceau laser frappe une surface, il a pression (p). Avec l'absorption complète du rayonnement laser incident perpendiculairement à la surface, une pression est créée R.= je/s, où je– l'intensité du rayonnement, Avec– vitesse de la lumière dans le vide. En réflexion totale, la pression est deux fois plus élevée. À l'intensité je= 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2, R.= 3,3·10 9 Pa = 33 000 guichets automatiques.

7. Petit angle de divergence dans le faisceau. Collimation. Le rayonnement est collimaté, c'est-à-dire que tous les rayons du faisceau sont presque parallèles les uns aux autres (Fig. 6). Sur une longue distance, le diamètre du faisceau laser n'augmente que légèrement (pour la plupart des lasers, l'angle de divergence est de 1 minute d'arc ou moins). L’angle de divergence étant faible, l’intensité du faisceau laser diminue légèrement avec la distance. La haute directivité permet aux signaux d'être transmis sur de vastes distances avec peu d'atténuation de leur intensité.

8. Polarisation. Le rayonnement laser est complètement polarisé.

AGENCE FÉDÉRALE DES TRANSPORTS FERROVIAIRES

BUDGET DE L'ÉTAT FÉDÉRAL

INSTITUTION D'ENSEIGNEMENT D'ENSEIGNEMENT PROFESSIONNEL SUPÉRIEUR

"UNIVERSITÉ DES COMMUNICATIONS D'ÉTAT DE MOSCOU"

Institut de technologie des transports et des systèmes de contrôle

Département de Technologie d'Ingénierie des Transports et de Réparation du Matériel Roulant

Essai

dans la discipline : « Méthodes de traitement électrophysiques et électrochimiques »

Sujet : « Types et caractéristiques des lasers »

Introduction

L’invention du laser compte parmi les réalisations scientifiques et technologiques les plus remarquables du XXe siècle. Le premier laser est apparu en 1960 et le développement rapide de la technologie laser a immédiatement commencé. En peu de temps, différents types de lasers et d'appareils laser ont été créés, conçus pour résoudre des problèmes scientifiques et techniques spécifiques. Les lasers ont déjà acquis une position forte dans de nombreux secteurs de l'économie nationale. Comme l'a noté l'académicien A.P. Alexandrov, tous les garçons connaissent maintenant le mot laser . Et pourtant, qu’est-ce qu’un laser, pourquoi est-il intéressant et utile ? L'un des fondateurs de la science des lasers - l'électronique quantique - l'académicien N.G. Basov répond à cette question comme ceci : Un laser est un dispositif dans lequel l'énergie, par exemple thermique, chimique, électrique, est convertie en énergie d'un champ électromagnétique - un faisceau laser. Avec une telle conversion, une certaine énergie est inévitablement perdue, mais ce qui est important est que l’énergie laser résultante soit d’une qualité incomparablement supérieure. La qualité de l'énergie laser est déterminée par sa concentration élevée et sa capacité à transmettre sur une distance considérable. Un faisceau laser peut être focalisé sur un petit point d’un diamètre de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière et produire une densité d’énergie qui dépasse actuellement la densité d’énergie d’une explosion nucléaire.

Grâce au rayonnement laser, il a déjà été possible d'atteindre les valeurs les plus élevées de température, de pression et d'intensité du champ magnétique. Enfin, le faisceau laser est le support d'information le plus volumineux et, dans ce rôle, un moyen fondamentalement nouveau de sa transmission et de son traitement. . L'utilisation généralisée des lasers dans la science et la technologie modernes s'explique par les propriétés spécifiques du rayonnement laser. Un laser est un générateur de lumière cohérente. Contrairement à d'autres sources lumineuses (par exemple, les lampes à incandescence ou les lampes fluorescentes), un laser produit un rayonnement optique caractérisé par un degré élevé d'ordre dans le champ lumineux ou, comme on dit, un degré élevé de cohérence. Un tel rayonnement est hautement monochromatique et directionnel. De nos jours, les lasers fonctionnent avec succès dans la production moderne et répondent à une grande variété de tâches. Un faisceau laser est utilisé pour couper des tissus et des tôles d'acier, souder des carrosseries de voitures et souder les plus petites pièces d'équipements électroniques et percer des trous dans des matériaux cassants et très durs. De plus, le traitement laser des matériaux permet d'augmenter l'efficacité et la compétitivité par rapport aux autres types de traitement. Le domaine d'application des lasers dans la recherche scientifique - physique, chimique, biologique - est en constante expansion.

Les propriétés remarquables des lasers - cohérence et directivité du rayonnement exceptionnellement élevées, capacité à générer des ondes cohérentes de haute intensité dans les régions visible, infrarouge et ultraviolette du spectre, obtenant des densités d'énergie élevées en mode continu et pulsé - dès l'aube de l'électronique quantique a indiqué la possibilité d'une large gamme d'applications laser à des fins pratiques. Depuis sa création, la technologie laser s'est développée à un rythme exceptionnellement rapide. De nouveaux types de lasers apparaissent et en même temps les anciens sont améliorés : des installations laser avec un ensemble de caractéristiques nécessaires à divers objectifs spécifiques sont créées, ainsi que divers types de dispositifs de contrôle de faisceau, et la technologie de mesure est améliorée davantage. et plus. C'est la raison de la profonde pénétration des lasers dans de nombreux secteurs de l'économie nationale, et en particulier dans la fabrication de machines et d'instruments.

Il convient particulièrement de noter que le développement des méthodes laser ou, en d'autres termes, des technologies laser augmente considérablement l'efficacité de la production moderne. Les technologies laser permettent l'automatisation la plus complète des processus de production.

Les réalisations actuelles de la technologie laser sont énormes et impressionnantes. Demain promet des réalisations encore plus grandes. De nombreux espoirs sont associés aux lasers : de la création d'un cinéma tridimensionnel à la résolution de problèmes globaux tels que l'établissement de communications optiques terrestres et sous-marines à très longue portée, la percée des mystères de la photosynthèse, la mise en œuvre d'une réaction thermonucléaire contrôlée, l'émergence de systèmes à grande quantité de mémoire et de dispositifs d'entrée et de sortie d'informations à grande vitesse.

1. Classification des lasers

Il est d'usage de distinguer deux types de lasers : les amplificateurs et les générateurs. Un rayonnement laser apparaît à la sortie de l'amplificateur lorsqu'un petit signal à la fréquence de transition est reçu à son entrée (et lui-même est déjà dans un état excité). C'est ce signal qui stimule les particules excitées à libérer de l'énergie. Une intensification semblable à une avalanche se produit. Ainsi, il y a un faible rayonnement à l’entrée et un rayonnement amplifié à la sortie. Avec un générateur, la situation est différente. Le rayonnement à la fréquence de transition n'est plus envoyé à son entrée, mais la substance active est plutôt excitée et, en outre, surexcitée. De plus, si la substance active est dans un état surexcité, la probabilité d'une transition spontanée d'une ou plusieurs particules du niveau supérieur au niveau inférieur augmente considérablement. Il en résulte une émission stimulée.

La deuxième approche de classification des lasers est liée à l’état physique de la substance active. De ce point de vue, les lasers peuvent être à l'état solide (par exemple rubis, verre ou saphir), à gaz (par exemple hélium-néon, argon, etc.), liquide ; si une jonction semi-conductrice est utilisée comme substance active , alors le laser est appelé semi-conducteur.

La troisième approche de classification est liée à la méthode d'excitation de la substance active. On distingue les lasers suivants : à excitation due à un rayonnement optique, à excitation par un flux d'électrons, à excitation par énergie solaire, à excitation due à l'énergie de fils explosifs, à excitation par énergie chimique, à excitation par rayonnement nucléaire. Les lasers se distinguent également par la nature de l'énergie émise et sa composition spectrale. Si l'énergie est émise de manière pulsée, on parle alors de lasers pulsés ; si elle est continue, alors le laser est appelé laser à onde continue. Il existe également des lasers à modes mixtes, comme les lasers à semi-conducteurs. Si le rayonnement laser est concentré dans une plage étroite de longueurs d’onde, alors le laser est appelé monochromatique ; s’il est concentré dans une large plage, alors il est appelé laser à large bande.

Un autre type de classification repose sur la notion de puissance de sortie. Les lasers dont la puissance de sortie continue (moyenne) est supérieure à 106 W sont appelés lasers haute puissance. Avec une puissance de sortie comprise entre 105 et 103 W, nous disposons de lasers de moyenne puissance. Si la puissance de sortie est inférieure à 10-3 W, on parle alors de lasers de faible puissance.

Selon la conception du résonateur à miroir ouvert, on distingue les lasers à Q constant et les lasers à commutation Q - dans un tel laser, l'un des miroirs peut notamment être placé sur l'axe d'un moteur électrique qui tourne ce miroir. Dans ce cas, le facteur de qualité du résonateur passe périodiquement de zéro à la valeur maximale. Ce laser est appelé laser modulé Q.

2. Caractéristiques des lasers

L'une des caractéristiques des lasers est la longueur d'onde de l'énergie émise. La gamme de longueurs d'onde du rayonnement laser s'étend de la région des rayons X jusqu'à l'infrarouge lointain, c'est-à-dire de 10-3 à 102 microns. Au-delà de la région de 100 µm se trouve, au sens figuré, sol vierge . Mais il ne s'étend que sur une zone millimétrique, maîtrisée par les opérateurs radio. Cette zone non développée diminue continuellement et on espère que son développement sera achevé dans un avenir proche. La part attribuable aux différents types de producteurs n’est pas la même. Les générateurs quantiques de gaz ont la gamme la plus large.

Une autre caractéristique importante des lasers est l’énergie pulsée. Elle se mesure en joules et atteint sa plus grande valeur dans les générateurs à semi-conducteurs - environ 103 J. La troisième caractéristique est la puissance. Les générateurs de gaz émettant en continu ont une puissance de 10-3 à 102 W. Les générateurs électriques milliwatts utilisent un mélange hélium-néon comme milieu actif. Les générateurs de CO2 ont une puissance d'environ 100 W. Avec les générateurs à semi-conducteurs, parler de puissance a une signification particulière. Par exemple, si l’on prend 1 J d’énergie rayonnée concentrée dans un intervalle d’une seconde, alors la puissance sera de 1 W. Mais la durée de rayonnement du générateur de rubis est de 10 à 4 s, la puissance est donc de 10 000 W, c'est-à-dire 10 kW. Si la durée de l'impulsion est réduite à 10-6 s à l'aide d'un obturateur optique, la puissance est de 106 W, soit mégawatt Ce n'est pas la limite ! Vous pouvez augmenter l'énergie d'une impulsion jusqu'à 103 J et réduire sa durée à 10-9 s, la puissance atteindra alors 1012 W. Et c'est beaucoup de pouvoir. On sait que lorsqu'un faisceau atteint 105 W/cm2 sur un métal, le métal commence à fondre, à une intensité de 107 W/cm2 le métal commence à bouillir et à 109 W/cm2 le rayonnement laser commence à ioniser fortement les vapeurs. de la substance, les transformant en plasma.

Une autre caractéristique importante d’un laser est la divergence du faisceau laser. Les lasers à gaz ont le faisceau le plus étroit. C'est une valeur de plusieurs minutes d'arc. La divergence du faisceau des lasers à solide est d’environ 1 à 3 degrés angulaires. Les lasers à semi-conducteurs ont une ouverture de lobe de rayonnement : dans un plan d'environ un degré, dans l'autre - d'environ 10...15 degrés angulaires.

La prochaine caractéristique importante d'un laser est la plage de longueurs d'onde dans laquelle le rayonnement est concentré, c'est-à-dire monochromatique. Les lasers à gaz ont une monochromaticité très élevée, elle est de 10-10, c'est-à-dire nettement supérieure à celle des lampes à décharge, qui étaient auparavant utilisées comme étalons de fréquence. Les lasers à solide, et en particulier les lasers à semi-conducteurs, ont une gamme de fréquences importante dans leur rayonnement, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas hautement monochromatiques.

Une caractéristique très importante des lasers est leur efficacité. Pour les solides, elle varie de 1 à 3,5 %, pour les gaz de 1 à 15 %, pour les semi-conducteurs de 40 à 60 %. Dans le même temps, toutes les mesures possibles sont prises pour augmenter l'efficacité des lasers, car une faible efficacité conduit à la nécessité de refroidir les lasers à une température de 4...77 K, ce qui complique immédiatement la conception de l'équipement.

2.1 Lasers à semi-conducteurs

Les lasers à semi-conducteurs sont divisés en lasers pulsés et continus. Parmi les lasers pulsés, les dispositifs à base de verre rubis et néodyme sont plus courants. La longueur d'onde du laser néodyme est l = 1,06 µm. Ces dispositifs sont des tiges relativement grandes, dont la longueur atteint 100 cm et le diamètre est de 4 à 5 cm. L'énergie d'impulsion générée par une telle tige est de 1 000 J en 10 à 3 secondes.

Le laser rubis se distingue également par sa puissance d'impulsion élevée : d'une durée de 10 à 3 secondes, son énergie est de plusieurs centaines de joules. Le taux de répétition des impulsions peut atteindre plusieurs kHz.

Les lasers à ondes continues les plus célèbres sont fabriqués sur du fluorite de calcium avec un mélange de dysprosium et des lasers sur du grenat d'yttrium-aluminium, qui contient des impuretés d'atomes de métaux des terres rares. La longueur d'onde de ces lasers est comprise entre 1 et 3 microns. La puissance d'impulsion est d'environ 1 W ou une fraction de celle-ci. Les lasers à grenat d'yttrium et d'aluminium peuvent fournir une puissance d'impulsion allant jusqu'à plusieurs dizaines de watts.

En règle générale, les lasers à semi-conducteurs utilisent un mode laser multimode. Un laser monomode peut être obtenu en introduisant des éléments de sélection dans la cavité. Cette décision a été provoquée par une diminution de la puissance de rayonnement générée.

La difficulté de produire des lasers à semi-conducteurs réside dans la nécessité de faire croître de gros monocristaux ou de faire fondre de grands échantillons de verre transparent. Ces difficultés ont été surmontées grâce à la réalisation de lasers liquides, où le milieu actif est représenté par un liquide dans lequel sont introduits des éléments de terres rares. Cependant, les lasers liquides présentent un certain nombre d'inconvénients qui limitent leur domaine d'utilisation.

2.2 Lasers liquides

Les lasers liquides sont appelés lasers à milieu actif liquide. Le principal avantage de ce type d'appareil est la possibilité de faire circuler le liquide et, par conséquent, de le refroidir. En conséquence, plus d’énergie peut être obtenue en mode pulsé et continu.

Les premiers lasers liquides ont été produits à partir de chélates de terres rares. L'inconvénient de ces lasers est le faible niveau d'énergie atteignable et l'instabilité chimique des chélates. Ces lasers n’ont donc pas été utilisés. Des scientifiques soviétiques ont proposé d'utiliser des liquides actifs inorganiques dans le milieu laser. Les lasers basés sur ceux-ci se distinguent par des énergies pulsées élevées et fournissent des indicateurs de puissance moyenne. Les lasers liquides utilisant un tel milieu actif sont capables de générer un rayonnement avec un spectre de fréquences étroit.

Un autre type de lasers liquides sont les appareils qui fonctionnent sur des solutions de colorants organiques, caractérisés par de larges raies de luminescence spectrale. Un tel laser est capable de fournir un réglage continu des longueurs d'onde de lumière émises sur une large plage. Lors du remplacement des colorants, tout le spectre visible et une partie de l'infrarouge sont couverts. La source de pompage dans de tels dispositifs est généralement constituée de lasers à semi-conducteurs, mais il est possible d'utiliser des lampes à gaz qui fournissent de courts éclairs de lumière blanche (moins de 50 μs).

2.3 Lasers à gaz

Il existe de nombreuses variétés. L'un d'eux est un laser à photodissociation. Il utilise un gaz dont les molécules, sous l'influence du pompage optique, se dissocient (se désintègrent) en deux parties, dont l'une est dans un état excité et est utilisée pour le rayonnement laser.

Un grand groupe de lasers à gaz est constitué de lasers à décharge gazeuse, dans lesquels le milieu actif est un gaz raréfié (pression 1-10 mm Hg), et le pompage est effectué par une décharge électrique, qui peut être une lueur ou un arc et est créée par courant continu ou courant alternatif haute fréquence (10 -50 MHz).

Il existe plusieurs types de lasers à décharge gazeuse. Dans les lasers ioniques, le rayonnement est produit par des transitions électroniques entre les niveaux d’énergie des ions. Un exemple est le laser à argon, qui utilise une décharge en arc à courant continu.

Les lasers à transition atomique sont générés par des transitions électroniques entre les niveaux d'énergie atomique. Ces lasers produisent un rayonnement d'une longueur d'onde de 0,4 à 100 microns. Un exemple est un laser hélium-néon fonctionnant sur un mélange d'hélium et de néon sous une pression d'environ 1 mm Hg. Art. Pour le pompage, une décharge luminescente est utilisée, créée par une tension constante d'environ 1000 V.

Les lasers à décharge gazeuse comprennent également les lasers moléculaires, dans lesquels le rayonnement provient de transitions électroniques entre les niveaux d'énergie des molécules. Ces lasers ont une large gamme de fréquences correspondant à des longueurs d'onde de 0,2 à 50 µm.

Le plus courant des lasers moléculaires au dioxyde de carbone (lasers CO2). Il peut produire une puissance allant jusqu'à 10 kW et a un rendement assez élevé d'environ 40 %. Des impuretés d'azote, d'hélium et d'autres gaz sont généralement ajoutées au dioxyde de carbone principal. Pour le pompage, une décharge luminescente à courant continu ou à haute fréquence est utilisée. Un laser au dioxyde de carbone produit un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ 10 microns. Il est représenté schématiquement sur la Fig. 1.

Riz. 1 - Le principe du laser CO2

Un type de lasers CO2 est à dynamique gazeuse. Dans ceux-ci, la population inverse requise pour le rayonnement laser est obtenue du fait que le gaz, préchauffé à 1 500 K à une pression de 20 à 30 atm, pénètre dans la chambre de travail, où il se dilate, et sa température et sa pression chutent fortement. De tels lasers peuvent produire un rayonnement continu d'une puissance allant jusqu'à 100 kW.

Les lasers moléculaires comprennent les lasers dits excimer, dans lesquels le milieu de travail est un gaz inerte (argon, xénon, krypton, etc.), ou sa combinaison avec du chlore ou du fluor. Dans de tels lasers, le pompage s'effectue non pas par une décharge électrique, mais par un flux d'électrons dits rapides (d'une énergie de plusieurs centaines de keV). L'onde émise est la plus courte, par exemple 0,126 microns pour un laser à argon.

Des puissances de rayonnement plus élevées peuvent être obtenues en augmentant la pression du gaz et en utilisant un pompage utilisant un rayonnement ionisant en combinaison avec un champ électrique externe. Le rayonnement ionisant est un flux d'électrons rapides ou de rayonnement ultraviolet. De tels lasers sont appelés lasers à électroionisation ou lasers à gaz comprimé. Les lasers de ce type sont représentés schématiquement sur la Fig. 2.

Riz. 2 - Pompage par électroionisation

Des molécules de gaz excitées utilisant l’énergie de réactions chimiques sont produites dans des lasers chimiques. Des mélanges de certains gaz chimiquement actifs (fluor, chlore, hydrogène, chlorure d'hydrogène, etc.) sont utilisés ici. Les réactions chimiques dans de tels lasers doivent se produire très rapidement. Pour l'accélération, des agents chimiques spéciaux sont utilisés, obtenus par dissociation de molécules de gaz sous l'influence d'un rayonnement optique, d'une décharge électrique ou d'un faisceau d'électrons. Un exemple de laser chimique est un laser utilisant un mélange de fluor, d’hydrogène et de dioxyde de carbone.

Un type particulier de laser est le laser à plasma. Le milieu actif qu'il contient est un plasma hautement ionisé de vapeurs de métaux alcalino-terreux (magnésium, baryum, strontium, calcium). Pour l'ionisation, des impulsions de courant d'une force allant jusqu'à 300 A à une tension allant jusqu'à 20 kV sont utilisées. Durée d'impulsion 0,1-1,0 μs. Le rayonnement d'un tel laser a une longueur d'onde de 0,41 à 0,43 microns, mais peut également se situer dans la région ultraviolette.

2.4 Lasers à semi-conducteurs

Bien que les lasers à semi-conducteurs soient à semi-conducteurs, ils sont généralement classés dans un groupe spécial. Dans ces lasers, un rayonnement cohérent est produit en raison de la transition des électrons du bord inférieur de la bande de conduction vers le bord supérieur de la bande de valence. Il existe deux types de lasers à semi-conducteurs. Le premier comporte une tranche de semi-conducteur pur, qui est pompée par un faisceau d'électrons rapides d'une énergie de 50 à 100 keV. Un pompage optique est également possible. L'arséniure de gallium GaAs, le sulfure de cadmium CdS ou le séléniure de cadmium CdSe sont utilisés comme semi-conducteurs. Le pompage avec un faisceau d'électrons provoque un fort échauffement du semi-conducteur, provoquant une détérioration du rayonnement laser. Par conséquent, de tels lasers nécessitent un bon refroidissement. Par exemple, un laser à l'arséniure de gallium est généralement refroidi à une température de 80 K.

Le pompage par un faisceau d'électrons peut être transversal (Fig. 3) ou longitudinal (Fig. 4). Lors du pompage transversal, deux faces opposées du cristal semi-conducteur sont polies et jouent le rôle de miroirs d'un résonateur optique. Dans le cas d'un pompage longitudinal, des miroirs extérieurs sont utilisés. Avec le pompage longitudinal, le refroidissement du semi-conducteur est considérablement amélioré. Un exemple d'un tel laser est un laser au sulfure de cadmium, générant un rayonnement d'une longueur d'onde de 0,49 µm et ayant un rendement d'environ 25 %.

Riz. 3 - Pompage transversal avec un faisceau d'électrons

Riz. 4 - Pompage longitudinal avec un faisceau d'électrons

Le deuxième type de laser à semi-conducteur est ce qu’on appelle le laser à injection. Il contient une jonction p-n (Fig. 5), formée de deux semi-conducteurs à impuretés dégénérées, dans laquelle la concentration d'impuretés donneuses et acceptrices est de 1 018 à 1 019 cm-3. Les faces perpendiculaires au plan de la jonction pn sont polies et servent de miroirs au résonateur optique. Une tension continue est appliquée à un tel laser, sous l'influence de laquelle la barrière de potentiel dans la jonction pn est abaissée et des électrons et des trous sont injectés. Dans la région de transition, une recombinaison intense des porteurs de charge commence, au cours de laquelle les électrons se déplacent de la bande de conduction vers la bande de valence et un rayonnement laser se produit. L'arséniure de gallium est principalement utilisé pour les lasers à injection. Le rayonnement a une longueur d'onde de 0,8 à 0,9 microns, l'efficacité est assez élevée - 50 à 60 %.

Riz. 5 - Le principe de conception du laser à injection

amplificateur générateur d'onde de faisceau

Les lasers à injection miniatures avec des dimensions linéaires de semi-conducteurs d'environ 1 mm fournissent une puissance de rayonnement en mode continu allant jusqu'à 10 mW, et en mode pulsé, ils peuvent avoir une puissance allant jusqu'à 100 W. L’obtention d’une puissance élevée nécessite un refroidissement important.

Il convient de noter qu’il existe de nombreuses caractéristiques différentes dans la conception des lasers. Dans le cas le plus simple, un résonateur optique est composé de deux miroirs plans parallèles. Des conceptions de résonateurs plus complexes avec différentes formes de miroirs sont également utilisées.

De nombreux lasers comprennent des dispositifs supplémentaires de contrôle du rayonnement situés à l'intérieur ou à l'extérieur de la cavité. À l’aide de ces appareils, le faisceau laser est dévié et focalisé et divers paramètres de rayonnement sont modifiés. La longueur d'onde de différents lasers peut être comprise entre 0,1 et 100 microns. Avec le rayonnement pulsé, la durée de l'impulsion varie de 10-3 à 10-12 s. Les impulsions peuvent être uniques ou répétées à un taux de répétition pouvant atteindre plusieurs gigahertz. La puissance réalisable est de 109 W pour les impulsions nanosecondes et de 1 012 W pour les impulsions picosecondes ultracourtes.

2.5 Lasers à colorant

Lasers qui utilisent des colorants organiques comme matériau laser, généralement sous la forme d'une solution liquide. Ils ont révolutionné la spectroscopie laser et sont devenus les fondateurs d'un nouveau type de lasers avec une durée d'impulsion inférieure à la picoseconde (lasers à impulsions ultracourtes).

Aujourd'hui, un autre laser est généralement utilisé comme pompage, par exemple un laser Nd:YAG pompé par diode, ou un laser Argon. Il est très rare de trouver un laser à colorant pompé par une lampe flash. La principale caractéristique des lasers à colorant est la très grande largeur de la boucle de gain. Vous trouverez ci-dessous un tableau des paramètres de certains lasers à colorant.

Il existe deux possibilités pour utiliser une zone de travail laser aussi grande :

régler la longueur d'onde à laquelle se produit la génération -> spectroscopie laser,

génération d'un coup dans une large plage -> génération d'impulsions extrêmement courtes.

Les conceptions laser varient selon ces deux possibilités. Si un schéma conventionnel est utilisé pour ajuster la longueur d'onde, seules des unités supplémentaires sont ajoutées pour la stabilisation thermique et la sélection d'un rayonnement avec une longueur d'onde strictement définie (généralement un prisme, un réseau de diffraction ou des schémas plus complexes), alors une installation beaucoup plus complexe est nécessaire pour générer des impulsions extrêmement courtes. La conception de la cuvette avec le milieu actif est modifiée. Étant donné que la durée de l'impulsion laser est finalement de 100 ÷30·10 ?15 (la lumière dans le vide parvient à parcourir seulement 30 ÷ 10 µm pendant ce temps), l'inversion de population doit être maximale, ceci ne peut être obtenu qu'en pompant très rapidement la solution colorante. Pour ce faire, une conception spéciale de cuvette avec un jet libre de colorant est utilisée (le colorant est pompé à partir d'une buse spéciale à une vitesse d'environ 10 m/s). Les impulsions les plus courtes sont obtenues en utilisant un résonateur en anneau.

2.6 Laser à électrons libres

Type de laser dans lequel le rayonnement est généré par un faisceau monoénergétique d'électrons se propageant dans un onduleur - un système périodique de champs de déviation (électriques ou magnétiques). Les électrons, effectuant des oscillations périodiques, émettent des photons dont l'énergie dépend de l'énergie des électrons et des paramètres de l'onduleur.

Contrairement aux lasers à gaz, liquides ou solides, où les électrons sont excités dans des états atomiques ou moléculaires liés, la source de rayonnement FEL est un faisceau d'électrons dans le vide traversant une série d'aimants spécialement situés - un onduleur (wiggler), forçant le Le faisceau se déplace le long d'une trajectoire sinusoïdale, perdant de l'énergie, qui est convertie en un flux de photons. Le résultat est un rayonnement X doux, utilisé par exemple pour étudier les cristaux et autres nanostructures.

En modifiant l'énergie du faisceau d'électrons, ainsi que les paramètres de l'onduleur (la force du champ magnétique et la distance entre les aimants), il est possible de faire varier la fréquence du rayonnement laser produit par FEL sur une large plage. , ce qui constitue la principale différence entre le FEL et les lasers d'autres systèmes. Le rayonnement produit par FEL est utilisé pour étudier les structures nanométriques - il existe une expérience dans l'obtention d'images de particules aussi petites que 100 nanomètres (ce résultat a été obtenu en utilisant la microscopie à rayons X avec une résolution d'environ 5 nm). La conception du premier laser à électrons libres a été publiée en 1971 par John M. J. Madey dans le cadre de son projet de doctorat à l'Université de Stanford. En 1976, Mady et ses collègues ont démontré les premières expériences avec FEL, utilisant des électrons de 24 MeV et un agitateur de 5 mètres pour amplifier le rayonnement.

La puissance du laser était de 300 mW et l'efficacité n'était que de 0,01 %, mais cette classe d'appareils s'est avérée efficace, ce qui a suscité un énorme intérêt et une forte augmentation du nombre de développements dans le domaine du FEL.

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