Laser — dispositif et principe de fonctionnement

Comportement normal de la lumière lorsqu'elle traverse un milieu

Normalement, lorsque la lumière traverse un milieu, son intensité diminue. La valeur numérique de cette atténuation peut être trouvée à partir de la loi de Bouguer :

Dans cette équation, en plus des intensités lumineuses I entrant et sortant du milieu, il existe également un facteur appelé coefficient d'absorption linéaire de la lumière du milieu. En optique traditionnelle, ce coefficient est toujours positif.

Absorption de la lumière négative

Que se passe-t-il si, pour une raison quelconque, le coefficient d'absorption est négatif ? Quoi alors ? Il y aura amplification de la lumière lors de son passage à travers le milieu ; en fait, le milieu montrera une absorption négative.

Les conditions d'observation d'une telle image peuvent être créées artificiellement. Le concept théorique concernant la manière de mettre en œuvre le phénomène proposé a été formulé en 1939 par le physicien soviétique Valentin Alexandrovitch Fabrikant.

Au cours de l'analyse d'un hypothétique milieu amplificateur de lumière le traversant, Fabrikant a proposé le principe de l'amplification de la lumière. Et en 1955les physiciens soviétiques Nikolai Genadievich Basov et Alexander Mikhailovich Prokhorov ont appliqué cette idée de Fabrikant à la région des radiofréquences du spectre électromagnétique.

Considérez le côté physique de la possibilité d'absorption négative. Sous une forme idéalisée, les niveaux d'énergie des atomes peuvent être représentés sous forme de lignes - comme si les atomes dans chaque état n'avaient que des énergies strictement définies E1 et E2. Cela signifie que lors de la transition d'un état à l'autre, un atome émet ou absorbe exclusivement une lumière monochromatique d'une longueur d'onde définie avec précision.

Mais la réalité est loin d'être idéale, et en fait les niveaux d'énergie des atomes ont une certaine largeur finie, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas des lignes de valeurs exactes. Ainsi, lors des transitions entre niveaux, il y aura également une certaine gamme de fréquences émises ou absorbées dv, qui dépend de la largeur des niveaux d'énergie entre lesquels la transition a lieu. Les valeurs de E1 et E2 peuvent être utilisées pour désigner uniquement les niveaux d'énergie moyens de l'atome.

Ainsi, puisque nous avons supposé que E1 et E2 sont les points médians des niveaux d'énergie, nous pouvons considérer un atome dans ces deux états. Soit E2>E1. Un atome peut soit absorber soit émettre un rayonnement électromagnétique lorsqu'il passe entre ces niveaux. Supposons que, étant dans l'état fondamental E1, un atome absorbe un rayonnement externe d'énergie E2-E1 et passe dans un état excité E2 (la probabilité d'une telle transition est proportionnelle au coefficient d'Einstein B12).

Étant dans un état excité E2, l'atome sous l'action d'un rayonnement externe d'énergie E2-E1 émet un quantum d'énergie E2-E1 et est obligé de passer à l'état fondamental d'énergie E1 (la probabilité d'une telle transition est proportionnelle à le coefficient d'Einstein B21).

Si un faisceau parallèle de rayonnement monochromatique de densité spectrale volumique w (v) traverse une substance dont la couche a une surface de section et une épaisseur unitaire dx, son intensité changera de la valeur :

Ici n1 est la concentration d'atomes dans les états E1, n2 est la concentration d'atomes dans les états E2.

En remplaçant les conditions du côté droit de l'équation, en supposant que B21 = B12, puis en remplaçant l'expression de B21, nous obtenons l'équation du changement d'intensité lumineuse à des niveaux d'énergie étroits :

En pratique, comme mentionné ci-dessus, les niveaux d'énergie ne sont pas infiniment étroits, il faut donc tenir compte de leur largeur. Pour ne pas encombrer l'article avec une description des transformations et un tas de formules, notons simplement qu'en saisissant une plage de fréquence puis en intégrant sur x, on se retrouvera avec une formule permettant de trouver le coefficient d'absorption réel d'une moyenne :

Puisqu'il est évident que dans des conditions d'équilibre thermodynamique, la concentration n1 d'atomes dans l'état d'énergie inférieur E1 est toujours supérieure à la concentration n2 d'atomes dans l'état supérieur E2, l'absorption négative est impossible dans des conditions normales, il est impossible d'amplifier éclairer simplement en traversant un environnement réel sans prendre de mesures supplémentaires...

Pour que l'absorption négative devienne possible, il est nécessaire de créer des conditions où la concentration d'atomes dans un état excité E2 dans le milieu sera supérieure à la concentration d'atomes dans l'état fondamental E1, c'est-à-dire qu'il est nécessaire d'organiser une répartition inverse des atomes dans le milieu selon leurs états énergétiques.

Le besoin de pompage énergétique de l'environnement

Pour organiser une population inversée de niveaux d'énergie (pour obtenir un milieu actif) un pompage (par exemple optique ou électrique) est utilisé. Le pompage optique implique l'absorption du rayonnement dirigé vers eux par les atomes, grâce à quoi ces atomes entrent dans un état excité.

Le pompage électrique dans un milieu gazeux implique l'excitation d'atomes par des collisions inélastiques avec des électrons dans la décharge gazeuse. Selon Fabrikant, certains des états de basse énergie des atomes doivent être éliminés au moyen d'impuretés moléculaires.

Il est pratiquement impossible d'obtenir un milieu actif par pompage optique dans un milieu à deux niveaux, puisque quantitativement les transitions d'atomes par unité de temps de l'état E1 à l'état E2 et inversement (!) seront dans ce cas équivalentes, ce qui signifie que il est nécessaire de recourir au moins à un système à trois niveaux.

Envisagez un système de pompage à trois étages. Laissons le rayonnement externe d'énergie photonique E3-E1 agir sur le milieu pendant que les atomes du milieu passent de l'état d'énergie E1 à l'état d'énergie E3. A partir de l'état énergétique E3, des transitions spontanées vers l'état E2 et vers E1 sont possibles. Pour obtenir une population inversée (quand il y a plus d'atomes avec le niveau E2 dans un milieu donné), il faut rendre le niveau E2 plus vivant que le E3. Pour cela, il est important de respecter les conditions suivantes :

Le respect de ces conditions signifie que les atomes dans l'état E2 restent plus longtemps, c'est-à-dire que la probabilité de transitions spontanées de E3 à E1 et de E3 à E2 dépasse la probabilité de transitions spontanées de E2 à E1. Ensuite, le niveau E2 s'avérera plus durable, et un tel état au niveau E2 peut être qualifié de métastable. Par conséquent, lorsque la lumière de fréquence v = (E3 - E1) / h traverse un tel milieu actif, cette lumière sera amplifiée. De même, un système à quatre niveaux peut être utilisé, alors le niveau E3 sera métastable.

Appareil laser

Ainsi, le laser comprend trois composants principaux : un milieu actif (dans lequel se crée l'inversion de population des niveaux d'énergie des atomes), un système de pompage (dispositif permettant d'obtenir l'inversion de population) et un résonateur optique (qui amplifie le rayonnement plusieurs fois et forme un faisceau dirigé de la sortie). Le milieu actif peut être solide, liquide, gazeux ou plasma.

Le pompage se fait en continu ou pulsé. Avec un pompage continu, l'alimentation en fluide est limitée par la surchauffe du fluide et les conséquences de cette surchauffe. En pompage pulsé, l'énergie utile introduite au coup par coup dans le milieu est davantage obtenue en raison de la grande puissance de chaque impulsion individuelle.

Différents lasers - différents pompages

Les lasers à semi-conducteurs sont pompés en irradiant le milieu de travail avec de puissants éclairs à décharge gazeuse, une lumière solaire focalisée ou un autre laser. Il s'agit toujours d'un pompage pulsé car la puissance est si élevée que la tige de travail s'effondre sous une action continue.

Les lasers à liquide et à gaz sont pompés avec une décharge électrique.Les lasers chimiques supposent l'apparition de réactions chimiques dans leur milieu actif, à la suite desquelles la population inversée d'atomes est obtenue soit à partir des produits de la réaction, soit à partir d'impuretés spéciales avec une structure de niveau appropriée.

Les lasers à semi-conducteurs sont pompés par un courant direct à travers une jonction pn ou par un faisceau d'électrons. De plus, il existe des méthodes de pompage telles que la photodissociation ou la méthode dynamique des gaz (refroidissement brusque des gaz chauffés).

Résonateur optique — le cœur du laser

Le résonateur optique est un système d'une paire de miroirs, dans le cas le plus simple, deux miroirs (concaves ou parallèles) fixés l'un en face de l'autre, et entre eux le long d'un axe optique commun se trouve un milieu actif sous la forme d'un cristal ou d'un cuvette à gaz. Les photons passant sous un angle à travers le milieu le laissent sur le côté, et ceux se déplaçant le long de l'axe, étant réfléchis plusieurs fois, sont amplifiés et sortent à travers un miroir translucide.

Cela produit un rayonnement laser - un faisceau de photons cohérents - un faisceau strictement dirigé. Lors d'un passage de lumière entre les miroirs, l'amplitude du gain doit dépasser un certain seuil - la quantité de perte de rayonnement à travers le deuxième miroir (plus le miroir transmet, plus ce seuil doit être élevé).

Pour que l'amplification lumineuse se fasse efficacement, il faut non seulement augmenter le trajet de la lumière à l'intérieur du milieu actif, mais aussi s'assurer que les ondes sortant du résonateur sont en phase les unes avec les autres, alors les ondes interférentes donneront l'amplitude maximale possible.

Pour atteindre ce but, il faut que chacune des ondes du résonateur revenant en un point du miroir source et en général, en tout point du milieu actif, soit en phase avec l'onde primaire après un nombre quelconque de réflexions parfaites . Ceci est possible lorsque le chemin optique parcouru par l'onde entre deux retours satisfait la condition :

où m est un entier, dans ce cas le déphasage sera un multiple de 2P :

Maintenant, puisque chacune des ondes diffère en phase de la précédente de 2pi, cela signifie que toutes les ondes sortant du résonateur seront en phase les unes avec les autres, donnant une interférence d'amplitude maximale. Le résonateur aura un rayonnement parallèle presque monochromatique à la sortie.

Le fonctionnement des miroirs à l'intérieur du résonateur va permettre d'amplifier les modes correspondant aux ondes stationnaires à l'intérieur du résonateur ; les autres modes (survenant en raison des particularités des conditions réelles) seront affaiblis.

Laser rubis - le premier état solide

Le premier appareil à semi-conducteurs a été construit en 1960 par le physicien américain Theodore Maiman. C'était un laser à rubis (rubis - Al2O3, où certains des sites du réseau - à moins de 0,5% - sont remplacés par du chrome triplement ionisé; plus il y a de chrome, plus la couleur du cristal de rubis est foncée).

Le premier laser de travail réussi conçu par le Dr Ted Mayman en 1960.

Un cylindre de rubis constitué du cristal le plus homogène, d'un diamètre de 4 à 20 mm et d'une longueur de 30 à 200 mm, est placé entre deux miroirs réalisés sous forme de couches d'argent appliquées aux extrémités soigneusement polies de ce cylindre. Une lampe à décharge de gaz en forme de spirale entoure un cylindre sur toute sa longueur et est alimentée en haute tension par un condensateur.

Lorsque la lampe est allumée, le rubis est intensément irradié, tandis que les atomes de chrome passent du niveau 1 au niveau 3 (ils sont dans cet état excité pendant moins de 10-7 secondes), c'est là que les transitions les plus probables vers niveau 2 sont réalisés — à un niveau métastable. L'excès d'énergie est transféré dans le réseau cristallin de rubis. Les transitions spontanées du niveau 3 au niveau 1 sont insignifiantes.

Le passage du niveau 2 au niveau 1 est interdit par les règles de sélection, donc la durée de ce niveau est d'environ 10-3 secondes, soit 10 000 fois plus longue qu'au niveau 3, en conséquence, les atomes s'accumulent dans le rubis avec le niveau 2 — c'est la population inverse du niveau 2.

Apparaissant spontanément lors de transitions spontanées, les photons peuvent provoquer des transitions forcées du niveau 2 au niveau 1 et provoquer une avalanche de photons secondaires, mais ces transitions spontanées sont aléatoires et leurs photons se propagent de manière chaotique, sortant le plus souvent du résonateur par sa paroi latérale.

Mais ceux des photons qui frappent l'axe subissent de multiples réflexions sur les miroirs, provoquant simultanément l'émission forcée de photons secondaires, qui provoquent à nouveau l'émission stimulée, et ainsi de suite. Ces photons se déplaceront dans une direction similaire aux photons primaires et le flux le long de l'axe du cristal augmentera comme une avalanche.

Le flux multiplié de photons sortira par le miroir translucide latéral du résonateur sous la forme d'un faisceau lumineux strictement directionnel d'intensité colossale. Le laser à rubis fonctionne à une longueur d'onde de 694,3 nm, tandis que la puissance d'impulsion peut atteindre 109 W

Laser néon à l'hélium

Le laser hélium-néon (hélium/néon = 10/1) est l'un des lasers à gaz les plus populaires. La pression dans le mélange gazeux est d'environ 100 Pa.Le néon sert de gaz actif, il produit des photons d'une longueur d'onde de 632,8 nm en mode continu. La fonction de l'hélium est de créer une population inverse à partir d'un des niveaux d'énergie supérieurs du néon. La largeur de spectre d'un tel laser est d'environ 5 * 10-3 Hz Longueur de cohérence 6 * 1011 m, temps de cohérence 2 * 103 ° C.

Lorsqu'un laser hélium-néon est pompé, une décharge électrique à haute tension induit la transition des atomes d'hélium vers un état excité métastable du niveau E2. Ces atomes d'hélium entrent en collision de manière inélastique avec des atomes de néon dans l'état fondamental E1, transférant leur énergie. L'énergie du niveau E4 du néon est supérieure à celle du niveau E2 de l'hélium de 0,05 eV. Le manque d'énergie est compensé par l'énergie cinétique des collisions atomiques. De la sorte, au niveau E4 du néon, on obtient une population inversée par rapport au niveau E3.

Types de lasers modernes

Selon l'état du milieu actif, les lasers sont divisés en: solide, liquide, gaz, semi-conducteur et aussi cristal. Selon le mode de pompage, ils peuvent être : optiques, chimiques, à décharge gazeuse. De par la nature de la génération, les lasers sont divisés en: continu et pulsé. Ces types de lasers émettent un rayonnement dans la gamme visible du spectre électromagnétique.

Les lasers optiques sont apparus plus tard que les autres. Ils sont capables de générer un rayonnement dans le proche infrarouge, un tel rayonnement (à une longueur d'onde allant jusqu'à 8 microns) est très approprié pour les communications optiques. Les lasers optiques contiennent une fibre dans le coeur de laquelle plusieurs ions d'éléments de terres rares appropriés ont été introduits.

Le guide de lumière, comme pour les autres types de lasers, est installé entre une paire de miroirs.Pour le pompage, un rayonnement laser avec la longueur d'onde requise est introduit dans la fibre, de sorte que les ions des éléments de terres rares passent dans un état excité sous son action. Revenant à un état d'énergie plus faible, ces ions émettent des photons avec une longueur d'onde plus longue que celle du laser initiateur.

De cette façon, la fibre agit comme une source de lumière laser. Sa fréquence dépend du type d'éléments de terres rares ajoutés. La fibre elle-même est constituée de fluorure de métal lourd, ce qui permet de générer efficacement un rayonnement laser à la fréquence de la gamme infrarouge.

Les lasers à rayons X occupent le côté opposé du spectre - entre l'ultraviolet et le gamma - ce sont des ordres de grandeur avec des longueurs d'onde de 10-7 à 10-12 M. Les lasers de ce type ont la luminosité d'impulsion la plus élevée de tous les types de lasers.

Le premier laser à rayons X a été construit en 1985 aux États-Unis, au Livermore Laboratory. Laurent. Le laser généré sur les ions sélénium, la gamme de longueurs d'onde est de 18,2 à 26,3 nm, et la luminosité la plus élevée tombe sur la ligne de longueur d'onde de 20,63 nm. Aujourd'hui, un rayonnement laser d'une longueur d'onde de 4,6 nm a été réalisé avec des ions aluminium.

Le laser à rayons X est généré par des impulsions d'une durée de 100 ps à 10 ns, qui dépend de la durée de vie de la formation de plasma.

Le fait est que le milieu actif d'un laser à rayons X est un plasma hautement ionisé, qui est obtenu, par exemple, lorsqu'un film mince d'yttrium et de sélénium est irradié avec un laser de haute puissance dans le spectre visible ou infrarouge.

L'énergie du laser à rayons X dans une impulsion atteint 10 mJ, tandis que la divergence angulaire dans le faisceau est d'environ 10 milliradians. Le rapport entre la puissance de la pompe et le rayonnement direct est d'environ 0,00001.