Principes fondamentaux des lasers
- Qu'est-ce que la lumière ?
- Qu'est-ce que la couleur ?
- Qu'est-ce que la lumière visible ?
- Différences entre la lumière ordinaire et les faisceaux laser
- Étymologie du terme laser
- Principes fondamentaux des lasers
- Types de laser
- Caractéristiques des longueurs d’onde
- Principes de l’oscillation laser
- Structure des tubes d’oscillation laser
Qu'est-ce que la lumière ?
La lumière est un type d'onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde et elles comprennent, dans l'ordre décroissant de longueur d'onde : les ondes radio, les rayons infrarouges, les rayons visibles, les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
Qu'est-ce que la couleur ?
Lorsqu'une lumière de longueurs d'onde données frappe un objet, les longueurs d'onde réfléchies par celui-ci sans être absorbées sont reçues par la rétine. C'est ce phénomène qui permet à l'œil d'identifier ces longueurs d'onde comme la « couleur » de l'objet. L'indice de réfraction varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui décompose la lumière et nous permet d'identifier toute une palette de « couleurs ». Par exemple, une pomme perçue comme rouge par l'œil humain quand elle est éclairée par la lumière du jour réfléchit les longueurs d'onde correspondant au rouge (600 à 700 nm) et absorbe toutes les autres. *Les objets noirs absorbent la totalité de la lumière, ce qui explique leur aspect noir.
Qu'est-ce que la lumière visible ?
Les ondes électromagnétiques dans le domaine des longueurs d'onde visibles par l'œil humain correspondent à ce que l'on appelle la « lumière visible ». La lumière visible varie de 360-400 nm, du côté des longueurs d'onde courtes, jusqu'à 760-830 nm, du côté des longueurs d'onde longues. Les longueurs d'onde plus courtes ou plus longues que la lumière visible ne sont pas perçues par l'œil humain.
Différences entre la lumière ordinaire et les faisceaux laser
Les lasers se différencient de la lumière ordinaire (lampe, etc.) en ce qu’ils émettent des faisceaux lumineux avec une directivité élevée, en d'autres termes, les ondes composant la lumière se déplacent ensemble en ligne droite, avec une dispersion quasi nulle. Les sources lumineuses classiques émettent des ondes lumineuses dans toutes les directions. Les ondes lumineuses d'un faisceau laser sont toutes de même couleur (une propriété appelée monochromaticité). La lumière ordinaire, émise par exemple par les ampoules à fluorescence, contient généralement plusieurs couleurs qui, mélangées, donnent une lumière blanche.
Lorsque les ondes lumineuses d'un laser se déplacent, elles oscillent selon un synchronisme parfait entre les crêtes et les creux, une caractéristique appelée « cohérence ». Lors de la superposition de deux faisceaux laser, les crêtes et les creux se renforcent mutuellement pour générer un schéma d'interférence.
Lumière ordinaire | Lumière laser | |
---|---|---|
Directivité (Rectitude) |
Ampoule | Laser |
Monochromaticité | Longueurs d’onde non uniformes | Longueurs d’onde uniformes |
Cohérence | Phases non uniformes | Les crêtes et les creux sont alignés. |
Étymologie du terme laser
Le terme « laser » est un acronyme signifiant « light amplification by stimulated emission of radiation. » (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement).
Principes fondamentaux des lasers
Lorsque des atomes (molécules) absorbent de l'énergie extérieure, ils passent d'un niveau d’énergie bas à un niveau d’énergie plus élevé, appelé « état excité ».
L'état excité est instable : les atomes tentent immédiatement de revenir à un état de plus faible énergie, phénomène nommé « transition ».
Lorsqu'une transition se produit, une lumière correspondant à la différence d'énergie est émise. Ce phénomène est appelé émission naturelle. La lumière émise entre en collision avec d'autres atomes également excités, ce qui induit de nouveau des transitions. La lumière correspondant aux transitions induites est appelée « émission stimulée ».
Types de laser
Les lasers peuvent être divisés en 3 grandes catégories : à solide, à gaz, à liquide.
Le type de laser optimal diffère selon l’application de traitement visée.
À solide
- Nd: YAG
- YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium)
-
Longueur d’onde standard (1064 nm)
- Applications de marquage générales
Seconde harmonique (532 nm) (laser vert)
-
- Marquage léger sur des wafers en silicium, etc.
- Utilisée pour les marquages et traitements précis
Troisième harmonique (355 nm) (laser UV)
-
- Utilisée pour les traitements ultra-précis, tels que le marquage sur écran LCD, les réparations et le perçage de trous d’interconnexion
- Traitement de réparation d’un écran à cristaux liquides : découpe du motif de revêtement lors de la réparation
- Perçage de trous d’interconnexion : perçage de trous sur une carte de circuit imprimé
- Laser YAG (Nd: YAG)
- Les lasers YAG sont utilisés dans le cadre d’applications de marquage et de traitement générales, telles que le marquage et le rognage des plastiques mais aussi des métaux. Émettant une lumière dans le proche infrarouge (1064 nm), ces lasers sont invisibles pour l'œil humain.
Le YAG est un solide cristallin constitué de grenat (G), d’yttrium (Y) et d’aluminium (A). Par dopage à l’ion néodyme (Nd), le cristal YAG entre dans un état excité à l’absorption de la lumière émise via une lampe ou une diode laser.
- Nd: YVO4 (1064 nm)
- YVO 4 (vanadate d'yttrium)
-
-
- Marquage de petits caractères
- Forte puissance crête à fréquences de déclenchement élevées
- Bon rendement de conversion d’énergie
-
- Laser YVO4 (Nd: YVO4)
- Les lasers YVO4 sont généralement utilisés dans le cadre d’applications de précision, telles que le marquage de petits caractères et autres traitements. Émettant une lumière de longueur d’onde similaire à celle des lasers YAG (1064 nm), les lasers YVO4 sont invisibles pour l'œil humain.
Les lasers YVO4 sont des lasers à solide dotés d’une structure cristalline constituée de vanadate d’yttrium (YVO4). Lorsque le solide est dopé par un ion néodyme (Nd), il entre dans un état excité par application de lumière à son extrémité via une diode.
- Yb : Fibré (1090 nm)
- Yb (Ytterbium)
-
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- Marquage à forte puissance
- Milieu amplificateur à surface extrêmement large pour une forte puissance d’émission
- Miniaturisation possible grâce à des mécanismes de refroidissement simplifiés à haute efficacité
-
- LD (650 à 905 nm)
-
- Laser à semi-conducteur (GaAs, GaAIAs, GaInAs)
À gaz
- CO2 (10,6 μm)
-
- Machines d’usinage, applications de marquage, ablation au laser
- Laser CO2
- Les lasers CO2 sont généralement utilisés sur les machines d’usinage et pour des applications de marquage.
Émettant une lumière infrarouge (10,6 μm), ces lasers sont invisibles pour l'œil humain. Les lasers CO2 sont composés d’un tube d’oscillation totalement fermé contenant non seulement du CO2 mais également une quantité donnée de N2 (azote) et de He (hélium).
Cette caractéristique confère aux lasers CO2 le surnom de lasers « fermés ». L’azote (N2) a pour effet d’augmenter le niveau d’énergie du CO2, tandis que l’hélium (He) assure une diminution constante du niveau d’énergie à un état plus stable.
- He-Ne standard (630 nm)
-
-
- Systèmes de mesure (profilomètre, etc.)
- Il s’agit du type de laser le plus populaire.
- Offrant une faible puissance d’émission, ces lasers sont généralement utilisés pour la mesure de profil, etc.
-
- Excimère (193 nm)
-
-
- Équipement d’exposition à semi-conducteur, chirurgies oculaires
- Les lasers à excimère génèrent de la lumière à partir d’une structure relativement simple mélangeant gaz inerte et gaz halogène.
- Émettant dans l’ultraviolet profond (DUV), ces lasers offrent un taux d’absorption particulièrement élevé.
- (Ils sont utilisés dans les chirurgies oculaires afin de réaliser des corrections par vaporisation du cristallin pour permettre la focalisation sur la rétine.)
-
- Argon (488 à 514 nm)
-
-
- Applications scientifiques
- Disponibles en une variété de couleurs, les lasers argon sont principalement utilisés dans les laboratoires, spécialisés en biotechnologie par exemple.
-
À liquide
- Colorant (330 à 1300 nm)
-
-
- Applications scientifiques
- La lumière laser est utilisée pour exciter le colorant afin de produire une lumière fluorescente.
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Caractéristiques des longueurs d’onde
Marqueur laser CO2 |
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Marqueur laser vert |
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Marqueur laser UV |
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Principes de l’oscillation laser
Cette section présente les principes conduisant à la génération de lumière laser.
1. Excitation
Les électrons des atomes absorbent la lumière fournie par une source extérieure, passant de leur état fondamental (niveau d’énergie bas) à un état excité (niveau d’énergie élevé). Plus le niveau d’énergie augmente, plus les électrons s’éloignent de leur orbite normale. Cette augmentation du niveau d’énergie est appelée « excitation ».
- État de l’atome
-
- État de l’électron
2. Émission naturelle
Les niveaux d’énergie des électrons dans un état excité varient en fonction de la quantité d’énergie absorbée. Les électrons à niveau d’énergie augmenté tendent à se stabiliser après une période de relaxation durant laquelle l’énergie absorbée est libérée dans une tentative de retour à un état de faible énergie. Cette énergie est alors libérée sous forme de lumière. Ce phénomène est appelé émission naturelle.
- État de l’atome
- État de l’électron
3. Émission stimulée
Comme illustré sur les figures ci-dessous, lorsque la lumière traverse un électron avec le même niveau d’énergie, des photons (lumière) supplémentaires de mêmes niveau d’énergie, phase et direction sont créés. Lors de l’émission stimulée, pour chaque photon traversant un électron, deux photons sont émis. Ce phénomène est appelé émission stimulée.
La lumière (photons) issue de l’émission stimulée étant de mêmes niveau d’énergie, phase et direction que la lumière incidente, la stimulation et la libération d’une grande quantité de lumière permet de créer un faisceau puissant doté des trois caractéristiques décrites ci-après. La lumière laser est générée en exploitant l’émission stimulée pour amplifier la lumière incidente. De ce fait, la lumière laser est monochromatique (car les niveaux d’énergie sont les mêmes), cohérente (car les phases sont alignées) et à haute directivité (car le déplacement s’effectue en ligne droite).
- État de l’atome
- État de l’électron
4. Inversion de population
Afin que l’émission stimulée génère l’oscillation laser, la densité des électrons à haut niveau d’énergie doit être considérablement supérieure à celle des électrons à bas niveau d’énergie. Ce phénomène est appelé inversion de population. La supériorité du nombre de photons émis par rapport au nombre de photons absorbés assure la génération d’une lumière laser de forte puissance.
- Inversion de la population d’électrons
-
- = Beaucoup d’électrons à haut niveau d’énergie
- = Peu d’électrons à bas niveau d’énergie
5. Oscillation laser
Lorsqu’un électron émet de la lumière par émission naturelle lors de l’inversion de population, cette lumière initie une émission stimulée via un autre électron. Chaque électron stimulant à son tour ses voisins, le nombre de photons ne cesse d’augmenter, générant une lumière de forte puissance. Ce phénomène est appelé oscillation laser.
- Inversion de la population d’électrons
Structure des tubes d’oscillation laser
Trois éléments
Les tubes d’oscillation laser sont composés des trois éléments suivants.
- Milieu laser
- Source d'excitation
- Amplificateur
- Milieu laser
- Source d'excitation
- Amplificateur