Comment créer un faisceau laser

En exploitant la puissance de la lumière grâce aux lasers, vous pouvez utiliser les lasers à diverses fins et mieux les comprendre 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 de « l'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement », la méthode des émissions stimulées montre en quoi les lasers diffèrent des autres sources de rayonnement électromagnétique. Savoir comment ces fréquences de lumière émergent peut vous permettre d'exploiter leur potentiel pour diverses utilisations.

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

En général, la lumière des lasers se déplace le long d'un chemin étroit, mais des lasers avec une large gamme d'ondes émises sont également possibles. À travers 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 fonction de leur 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 les lasers comme des ondes avec des pics, des vallées et des creux, la différence de phase serait de savoir comment une vague n'est pas tout à fait synchronisée avec une autre ou à quelle distance les deux vagues seraient éloignées chevauchement.

La fréquence de la lumière est le nombre de pics d'onde traversant un point donné en une seconde, et la longueur d'onde est la longueur totale d'une seule onde d'un creux à l'autre ou d'un pic à un autre.

Les photons, particules quantiques individuelles d'énergie, 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 photon unique et qu'il vient dans ces "paquets" quantiques. C'est ce qui rend les ondes électromagnétiques semblable à une particule.

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

Lorsqu'il est 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 différents 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 dans des états excités, et le laser les émettra à travers sa lumière.

Contrairement à d'autres lumières, telles que la lumière d'une lampe de poche, les lasers émettent de la lumière par étapes périodiques avec eux-mêmes. Cela signifie que la crête et le creux de chaque onde d'un laser s'alignent avec ceux des ondes qui précèdent et suivent, ce qui rend leur lumière cohérente.

Les lasers sont conçus de telle sorte qu'ils émettent de la lumière à des fréquences spécifiques du spectre électromagnétique. Dans de nombreux cas, cette lumière prend 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.

Une caractéristique d'un laser alimenté par une source d'énergie externe qui peut se produire est une inversion de population. Il s'agit d'une forme d'émission stimulée, et cela se produit lorsque le nombre de particules dans un état excité est plus grand que celui dans un état d'énergie de niveau inférieur.

Lorsque le laser atteint 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 à l'intérieur d'une cavité optique résonnante, vous avez créé un oscillateur laser.

Ces méthodes d'excitation et d'émission d'électrons forment la base des lasers en tant que source d'énergie, un principe laser que l'on retrouve dans de nombreuses utilisations. Les niveaux quantifiés que les électrons peuvent occuper vont de ceux à faible énergie qui ne nécessitent pas beaucoup d'énergie pour être libérés et aux particules à haute énergie qui restent proches du noyau. Lorsque l'électron se libère en raison de la collision des atomes dans la bonne orientation et le bon niveau d'énergie, il s'agit d'une émission spontanée.

Lors d'une émission spontanée, 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 d'une particule, moins vous en savez sur sa quantité de mouvement, et vice versa.

Vous pouvez calculer l'énergie de ces émissions en utilisant l'équation de Planck

pour une énergieEen joules, fréquenceνde l'électron dans s^-1 et constante de Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg/s.L'énergie qu'un photon a lorsqu'il est émis par un atome peut également être calculée comme un changement d'énergie. Pour trouver la fréquence associée à ce changement d'énergie, calculezνen utilisant les valeurs énergétiques de cette émission.

Compte tenu du 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 catégoriser doit tenir compte de toutes ces dimensions de lasers. Une façon de les regrouper est la longueur d'onde de la lumière qu'ils utilisent.

La longueur d'onde du rayonnement électromagnétique d'un laser détermine la fréquence et la force de l'énergie qu'il utilise. 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 lumineux signifie qu'il a plus d'énergie.

Vous pouvez également regrouper les lasers selon la nature du matériau laser. Les lasers à semi-conducteurs utilisent une matrice solide d'atomes tels que le néodyme utilisé dans le cristal Yttrium Aluminium Grenat qui abrite les ions néodyme pour 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 par des matières colorantes organiques dans des solutions ou des suspensions liquides

Les lasers à colorant utilisent un support 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 force entre celle d'un isolant et d'un conducteur qui utilisent de petites quantités d'impuretés, ou de produits chimiques introduits, en raison de produits chimiques introduits ou de changements dans Température.

Pour toutes leurs différentes utilisations, tous les lasers utilisent ces deux composants d'une source de lumière sous forme solide, liquide ou gazeuse qui dégage des électrons et quelque chose pour 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 pour effectuer une inversion de population. Une lampe flash à gaz peut être utilisée dans le pompage optique qui transporte l'énergie vers le matériau laser. Dans les cas où l'énergie du matériau laser repose sur les collisions des atomes à l'intérieur du matériau, le système est appelé pompage par collision.

Les composants d'un faisceau laser varient également dans le temps qu'ils mettent pour fournir de l'énergie. Les lasers à onde continue utilisent une puissance de faisceau moyenne stable. Avec les systèmes de puissance plus élevée, vous pouvez généralement ajuster la puissance, mais, avec les lasers à gaz de faible puissance comme les lasers à hélium-néon, le niveau de puissance est fixé en fonction du contenu du gaz.

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

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

Trois gaz rares, l'argon, le krypton et le xénon, ont été utilisés dans des applications laser sur des dizaines de fréquences laser allant de l'ultraviolet à l'infrarouge. Vous pouvez également mélanger ces trois gaz entre eux pour produire des fréquences et des émissions spécifiques. Ces gaz sous leurs formes ioniques laissent leurs électrons s'exciter en se heurtant les uns aux autres jusqu'à ce qu'ils réalisent une inversion de population.

De nombreuses conceptions de ces types de lasers vous permettront de sélectionner une certaine longueur d'onde pour la cavité à émettre pour atteindre les fréquences souhaitées. La manipulation de la paire de miroirs à l'intérieur de 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 les lampes électriques lumineuses comme les stroboscopes.

Les lasers à dioxyde de carbone sont les plus efficaces et les plus efficaces des lasers à ondes continues. Ils fonctionnent à l'aide d'un courant électrique dans un tube à plasma contenant du dioxyde de carbone. Les collisions d'électrons excitent ces molécules de gaz qui dégagent alors 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.

En examinant les types de laser pouvant être utilisés dans différents domaines, vous pouvez déterminer lesquels peuvent créer de grandes quantités de puissance car ils ont un taux d'efficacité élevé tel qu'ils utilisent une part importante de l'énergie qui leur est donnée sans en lâcher beaucoup déchets. Alors que les lasers hélium-néon ont un taux d'efficacité inférieur à 0,1 %, le taux des lasers au dioxyde de carbone est d'environ 30 %, soit 300 fois celui des lasers hélium-néon. Malgré cela, les lasers au dioxyde de carbone ont besoin d'un revêtement spécial, contrairement aux lasers à hélium-néon, pour réfléchir ou transmettre leurs fréquences appropriées.

Les lasers à excimère utilisent la lumière ultraviolette (UV) qui, lorsqu'elle a été inventée pour la première fois en 1975, a tenté de créer un faisceau focalisé de lasers pour la 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 qui sont électriquement excité avec une configuration de niveau d'énergie qui crée des fréquences de lumière spécifiques dans la gamme UV de l'électromagnétique spectre.

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