Laser à solide : principe de fonctionnement, application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Cet article montre quelles sont les sources de rayonnement monochromatique et quels sont les avantages d'un laser à solide par rapport aux autres types. Il raconte comment se produit la génération d'un rayonnement cohérent, pourquoi le dispositif pulsé est plus puissant, pourquoi la gravure est nécessaire. Il traite également des trois éléments essentiels d'un laser et de son fonctionnement.

Théorie des zones

Avant de parler du fonctionnement d'un laser (à semi-conducteurs, par exemple), certains modèles physiques doivent être considérés. Tout le monde se souvient des leçons d'école que les électrons sont situés autour du noyau atomique dans certaines orbites ou niveaux d'énergie. Si nous avons à notre disposition non pas un atome, mais plusieurs, c'est-à-dire si nous considérons n'importe quel corps volumétrique, alors une difficulté surgit.

Selon le principe de Pauli, dans un corps donné de même énergie, il ne peut y avoir qu'un seul électron. De plus, même le plus petit grain de sable contient un grand nombre d'atomes. Dans ce cas, la nature a trouvé une issue très élégante - l'énergie de chacunélectron diffère de l'énergie de l'électron voisin par une quantité très petite, presque indiscernable. Dans ce cas, tous les électrons du même niveau sont "compressés" dans une bande d'énergie. La zone dans laquelle se trouvent les électrons les plus éloignés du noyau est appelée zone de valence. La zone qui la suit a une énergie plus élevée. Dans celui-ci, les électrons se déplacent librement, et c'est ce qu'on appelle la bande de conduction.

Emission et absorption

Tout laser (à l'état solide, à gaz, chimique) fonctionne sur le principe de la transition électronique d'une zone à une autre. Si la lumière tombe sur le corps, le photon donne à l'électron suffisamment de force pour le mettre dans un état d'énergie plus élevé. Et inversement: lorsqu'un électron passe de la bande de conduction à la bande de valence, il émet un photon. Si la substance est un semi-conducteur ou un diélectrique, les bandes de valence et de conduction sont séparées par un intervalle dans lequel il n'y a pas un seul niveau. En conséquence, les électrons ne peuvent pas être là. Cet intervalle est appelé la bande interdite. Si le photon a une énergie suffisante, alors les électrons sautent au-dessus de cet intervalle.

Génération

Le principe de fonctionnement d'un laser à solide est basé sur le fait qu'un niveau dit inverse est créé dans la bande interdite d'une substance. La durée de vie d'un électron à ce niveau est plus longue que le temps qu'il passe dans la bande de conduction. Ainsi, dans un certain laps de temps, c'est sur elle que les électrons « s'accumulent ». C'est ce qu'on appelle la population inverse. Quand passé un tel niveau pointilléélectrons, un photon de la longueur d'onde désirée passe, il provoque la génération simultanée d'un grand nombre d'ondes lumineuses de même longueur et phase. C'est-à-dire que les électrons d'une avalanche passent tous simultanément dans l'état fondamental, générant un faisceau de photons monochromatiques d'une puissance suffisamment élevée. Il convient de noter que le principal problème des développeurs du premier laser était la recherche d'une telle combinaison de substances pour laquelle une population inverse d'un des niveaux serait possible. Le rubis allié est devenu la première substance de travail.

Composition Laser

Le laser à semi-conducteurs ne diffère pas des autres types en termes de composants principaux. Le corps de travail, dans lequel la population inverse de l'un des niveaux est effectuée, est éclairé par une source lumineuse. C'est ce qu'on appelle le pompage. Souvent, il peut s'agir d'une lampe à incandescence ordinaire ou d'un tube à décharge de gaz. Deux extrémités parallèles du fluide de travail (un laser à solide signifie un cristal, un laser à gaz signifie un milieu raréfié) forment un système de miroirs, ou un résonateur optique. Il recueille dans un faisceau uniquement les photons qui vont parallèlement à la sortie. Les lasers à semi-conducteurs sont généralement pompés avec des lampes flash.

Types de lasers à solide

Selon la façon dont le faisceau laser sort, on distingue les lasers continus et pulsés. Chacun d'eux trouve une application et a ses propres caractéristiques. La principale différence est que les lasers à solide pulsé ont une puissance plus élevée. Parce que pour chaque couples photons semblent "s'accumuler", alors une impulsion est capable de fournir plus d'énergie qu'une génération continue sur une période de temps similaire. Plus l'impulsion dure, plus chaque "coup" est puissant. À l'heure actuelle, il est technologiquement possible de construire un laser femtoseconde. Une de ses impulsions dure environ 10-15 secondes. Cette dépendance est liée au fait que les processus de rétropopulation décrits ci-dessus durent très, très peu. Plus il faut attendre avant que le laser "tire", plus les électrons ont le temps de quitter le niveau inverse. En conséquence, la concentration de photons et l'énergie du faisceau de sortie sont réduites.

Gravure au laser

Les motifs à la surface des objets en métal et en verre ornent la vie quotidienne d'une personne. Ils peuvent être appliqués mécaniquement, chimiquement ou au laser. La dernière méthode est la plus moderne. Ses avantages par rapport aux autres méthodes sont les suivants. Puisqu'il n'y a pas d'impact direct sur la surface à traiter, il est presque impossible d'endommager une chose lors du processus d'application d'un motif ou d'une inscription. Le faisceau laser brûle des rainures très peu profondes: la surface avec une telle gravure reste lisse, ce qui signifie que la chose n'est pas endommagée et durera plus longtemps. Dans le cas du métal, le faisceau laser modifie la structure même de la substance et l'inscription ne sera pas effacée avant de nombreuses années. Si une chose est utilisée avec précaution, non immergée dans l'acide et non déformée, son motif sera définitivement préservé pendant plusieurs générations. Il est préférable de choisir un laser pulsé à l'état solide pour la gravure pour deux raisons: les procédés à l'état solideplus facile à conduire, et il est optimal en termes de puissance et de prix.

Installation

Il existe des paramètres spéciaux pour la gravure. En plus du laser lui-même, ils se composent de guides mécaniques le long desquels le laser se déplace et d'équipements de contrôle (ordinateur). La machine laser est utilisée dans de nombreuses branches de l'activité humaine. Ci-dessus, nous avons parlé de la décoration d'articles ménagers. Couverts personnels, briquets, verres, montres resteront longtemps dans la famille et vous rappelleront des moments heureux.

Cependant, non seulement les biens ménagers, mais aussi les biens industriels ont besoin d'une gravure au laser. Les grandes usines, comme les automobiles, produisent des pièces en quantités énormes: des centaines de milliers ou des millions. Chaque élément de ce type doit être marqué - quand et qui l'a créé. Il n'y a pas de meilleur moyen que la gravure au laser: les chiffres, le temps de production, la durée de vie resteront longtemps même sur les pièces mobiles, pour lesquelles il existe un risque accru d'abrasion. La machine laser dans ce cas doit se distinguer par une puissance accrue, ainsi que par la sécurité. Après tout, si la gravure modifie la propriété d'une pièce métallique ne serait-ce que d'une fraction de pour cent, elle peut réagir différemment aux influences extérieures. Par exemple, cassez à l'endroit où l'inscription est appliquée. Cependant, pour un usage domestique, une installation plus simple et moins chère convient.