LASER ( zkratka z anglického zesilovač světla pomocí stimulované emise záření , což znamená „zesílení světla vynucenou emisí záření“) je fotonické systém . Jedná se o zařízení, které produkuje prostorově a časově koherentní světelné záření založené na procesu stimulované emise . Laserové světlo se také nazývá koherentní světlo . Laser, který sestoupil z maseru , byl nejprve nazýván „optickým masérem“.
Laserový zdroj spojuje optický zesilovač s optickou dutinou , nazývanou také rezonátor, obvykle tvořenou dvěma zrcadly , z nichž alespoň jedno částečně odráží, to znamená, že část světla vychází z dutiny a druhá část je znovu vstřikována do laserové dutiny. U některých dlouhých dutin může být laserové světlo extrémně směrové. Geometrické charakteristiky této sady vyžadují, aby vyzařované záření mělo vysokou spektrální čistotu, to znamená časově koherentní . Radiační spektrum ve skutečnosti obsahuje diskrétní sadu velmi jemných čar na vlnových délkách definovaných dutinou a zesilovacím médiem. Jemnost těchto čar je však omezena stabilitou dutiny a spontánní emisí v zesilovači (kvantový šum). Různé techniky umožňují získat emise kolem jedné vlnové délky.
V XXI th století, je laser obecně vnímána jako možný zdroj pro jakékoliv záření, elektromagnetické , který zahrnuje světlo . Dotyčné vlnové délky byly nejprve mikrovlny (maser), poté se rozšířily do infračervených , viditelných , ultrafialových domén a dokonce se začaly aplikovat na rentgenové záření .
Princip stimulované emise (neboli indukované emise) popsal již v roce 1917 Albert Einstein . V roce 1950 navrhl Alfred Kastler (nositel Nobelovy ceny za fyziku v roce 1966 ) proces optického čerpání , který o dva roky později experimentálně ověřil u Brossela a Wintera. Ale teprve v roce 1953 navrhli první masér (plynný amoniak ) JP Gordon, HJ Zeiger a Ch. H. Townes . V následujících letech mnoho vědců, jako je NG Bassov, Alexander Prochorov , Arthur Leonard Schawlow a Charles H. Townes, pomáhá přizpůsobit tyto teorie vlnovým délkám viditelného. Townes , Bassov a Prochorov sdíleli v roce 1964 Nobelovu cenu za fyziku za základní práci v oblasti kvantové elektroniky, která vedla ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů využívajících princip maser- laser. V roce 1960 získal americký fyzik Théodore Maiman poprvé laserovou emisi pomocí rubínového krystalu . O rok později Ali Javan vyvinul plynový laser ( hélium a neon ), poté v roce 1966 postavil Peter Sorokin první kapalný laser.
Lasery našly průmyslové prodejny velmi brzy. První aplikace byla navržena v roce 1965 a spočívala v opracování otvoru o průměru 4,7 mm a hloubce 2 mm do diamantu pomocí laserového rubínu . Tato operace byla provedena za 15 minut, zatímco klasická aplikace trvala 24 hodin.
V roce 1963 američtí vědci, jako je White a Anderholm, ukazují, že je možné generovat rázovou vlnu uvnitř kovu v důsledku pulzního laserového záření. Vyvíjené tlaky jsou řádově 1 GPa nebo 3 FP.
V roce 1967, Peter Holcroft řez 2.5 mm silnou desku z nerezavějící oceli se rychlostí 1 m / min , v kyslíku s 300 W CO 2 laserem a navrhl první řeznou hlavu.
I když byly procesy prokázány, je nutné počkat, až budou jejich asociace s vhodnými stroji implementovány v průmyslovém prostředí. Tyto podmínky byly splněny na konci 70. let . A první průmyslové platformy byly založeny ve Francii v 80. letech. Od té doby se laser prosadil jako nástroj průmyslové výroby v mikroobrábění. Jeho hlavními výhodami jsou vysokorychlostní obrábění řádově 10 m / min , bez dotyku, bez opotřebení nástroje.
Laser se stal prostředkem čtení v roce 1974 zavedením čteček čárových kódů . V roce 1978 , laserdiscs byly zavedeny, ale optické disky nepřišel do běžného používání až do roku 1982 s kompaktním disku . Laser poté umožňuje číst velké množství dat.
Abychom pochopili, jak laser funguje, je nutné zavést koncept kvantifikace hmoty : elektrony jsou distribuovány na diskrétních energetických úrovních („vrstvách“). Tato hypotéza je zásadní a není intuitivní : vezmeme-li v úvahu obraz, podle kterého lze elektrony nalézt pouze na určitých velmi přesných orbitálech kolem atomového jádra (jader) .
V následující části budeme uvažovat o atomu, který má pouze jeden elektron (vodík), abychom zjednodušili diskusi. Pravděpodobně bude na několika úrovních. Znalost úrovně, na které se tento elektron nachází, definuje stav atomu . Tyto stavy jsou číslovány v rostoucím pořadí energie s celým číslem , které může nabývat hodnot , ... Stav je tedy stavem nejnižší energie, odpovídající elektronu na oběžné dráze nejblíže jádru.
Pojďme k hlavním procesům interakce mezi světlem a hmotou, konkrétně k absorpci, stimulované emisi a spontánní emisi.
Vezměme si sadu atomů na dvou úrovních. Pokud pošleme pole na sadu atomů ve stavu „vysokého“, privilegovaným jevem bude stimulovaná emise a pole bude zesíleno. Abychom mohli vyrobit optický zesilovač, musíme najít způsob, jak excitovat atomy do stavu vyšší energie. Obecněji řečeno, pokud jsou určité atomy v „nízkém“ základním stavu, mohou být absorbovány také fotony, což snižuje intenzitu pole. K zesílení dojde pouze v případě, že atomů je více, aby byly ve „vysokém“ stavu (schopném emitovat) než ve „nízkém“ stavu (schopném absorbovat): je nutné mít „ populační inverzi “.
Při termodynamické rovnováze je však nejnižší stav vždy nejlidnatějším. V nejlepším případě populace oscilují mezi dvěma úrovněmi ( Rabiho oscilace ). K udržení populační inverze je nutné neustále zajišťovat vnější energii dodávanou atomům, aby se do vyššího stavu vrátily ty, které se po stimulované emisi vrátily do základního stavu: to je „ čerpání “. “ Vnější zdroje energie mohou být různých typů, například elektrický generátor nebo jiný laser (optické čerpání). Zesilovač je tedy sada atomů nebo molekul, které jsou nuceny procházet ze základního nebo slabě vzrušeného stavu do silněji vzrušeného stavu pomocí externího zdroje energie (čerpání). Tyto atomy pak mohou de-energizovat směrem ke stavu tím , že emitují fotony o frekvenci blízké . Frekvenční záření procházející tímto médiem lze tedy zesílit stimulovanými emisními procesy.
Pro získání podrobných rovnic laserového efektu a poté samotné laserové dutiny je nutné volat kvantitativnější fyziku kvantitativnějším způsobem. Pak existují dva stupně kvantifikace v interakci světlo (laserový paprsek) / hmota (atomy dutiny), z nichž každý poskytuje lepší pochopení fyziky laserového efektu:
Samotný poloklasický model umožňuje pochopit, odkud laserový efekt pochází, a získat „rychlostní rovnice“, které řídí populace atomů v laserové dutině.
Kvantovaná interakce atom / klasické poleU kvantovaných atomů je nutný formalismus hamiltonovské mechaniky . V aproximaci dvouúrovňového energetického systému pro atomy se účinek vnějšího elektrického pole (světlo, považované za pulzující monochromatické ) skládá z Rabiho oscilací atomů mezi těmito dvěma úrovněmi.
Tyto oscilace generované světlem jsou přímým důsledkem konkurence mezi stimulované emise a absorpční jev je popsáno výše, a jsou popsány pravděpodobnosti pro současné atom v přechodu z v čase do v čase t:
kde s I je intenzita dopadajícího elektrického pole ad hodnota atomového dipólu;
a s
Tento poloklasický model tedy neumožňuje získat populační inverzi nezbytnou pro laserový efekt: tyto sinusové oscilace ukazují, že systém „nevybírá“ mezi stimulovanou emisí a absorpcí.
Chceme-li vysvětlit laserový efekt při zachování tohoto poloklasického modelu, musíme proto ad hoc zavést spontánní emise, které nelze vysvětlit bez druhé kvantizace.
Porozumění absorpčnímu jevu ( Lambův model ) Populační inverzeV případě přechodného vzoru mezi dvěma nízkých a vysokých úrovní, v tomto pořadí označených a populace horním stavu, musí být nad populace od nízkého stavu, tak, že je emise: .
Vývoj obyvatelstva vysokého stavu je dána zákonem exponenciálního rozkladu: .
Plně kvantová interakce (druhá kvantizace): jemnosti laserového efektuU daného materiálu dává populační rozdíl mezi vysokým stavem a nízkým stavem charakter média s ohledem na optické čerpání : pokud je médiem zesilovač , je- li médium absorpční a v případě média transparentní . Laserový lase pouze tehdy, když médium je zesilovač .
Obecná zásadaLaser je tedy v zásadě světelný zesilovač, jehož výstup je přiváděn zpět na vstup. Jeho dodávka energie je zdrojem čerpání, výstupem je laserové záření, které je na vstupu znovu vstřikováno zrcadly rezonanční dutiny, přičemž zesilovacím mechanismem je stimulovaná emise.
Můžeme tento proces porovnat s Larsenovým efektem , ke kterému dochází, když zesilovač ( stereo ) vidí svůj výstup (reproduktor) „zapojený“ do vstupu (mikrofon). Nejmenší hluk zachycený mikrofonem je zesílen, vyzařován reproduktorem, zachycen mikrofonem, znovu zesílen, dokud není systém nasycen (když druhý poskytuje svou konstrukcí maximální možnou energii). V laseru je tato maximální energie omezena výkonem čerpacího zdroje a počtem atomů, které mohou být současně excitovány.
V Larsenově efektu závisí frekvence vytvářeného zvuku na spektru frekvencí správně zesílených zesilovačem a na době, kterou zvuk potřebuje, aby prošel zvukovou smyčkou (což není jedinečná hodnota, protože lokální indukuje různé odrazy a zvukové cesty různé délky). V laseru se děje totéž, až na to, že spektrum zesilovače není nejplošší možný rozsah, ale je omezeno na frekvenční pásma odpovídající hladinám excitace různých přítomných atomů a smyčka odpovídá délce rezonanční dutiny .
Stabilita laserové dutiny: podmínky zesíleníZisk laseru se zrcadly označenými příslušnými reflexními koeficienty obsahujícími zesilovačem čerpaný zesilovací materiál je dán změnou intenzity v iteraci dutiny po iteraci. Pokud je v daném okamžiku intenzita v dutině stejná, pak po jedné otáčce dutiny je intenzita stejná
Poté můžeme rozlišit 3 případy podle hodnoty :
Dutiny laseru je považována za stabilní, pokud vlnoplochy mohou šířit bez zkreslení. V případě laserové dutiny se 2 zrcadly jsou podmínky stability laseru spojeny se vzdáleností mezi zrcadly dutiny ve vztahu k poloměrům zakřivení 2 zrcadel. Pro 2 zrcadla s příslušnými poloměry zakřivení a s , Za Gaussova svazku :
Hodnotící rovnice označují rovnice pro zachování populace s vysokým a nízkým stavem . Stanovují, že změna v populaci státu odpovídá rozdílu mezi množstvím atomů, které se připojují k tomuto stavu, a množstvím atomů, které mění stav.
V konkrétním případě dvouúrovňového systému, pro dva vysoké a nízké stavy ( a ), zvážením termínu pravděpodobnosti spontánního vyzařování a termínu pravděpodobnostního čerpadla, kde označuje část osvětlenou průtokem čerpadla a označuje intenzitu průtok čerpadla, pak:
a
Stacionární laser (kontinuální laser) Laserová dynamika (pulzní laser) Statistický popis laseruLasery jsou rozděleny do šesti rodin, v závislosti na povaze excitovaného média. Kromě toho mohou být lasery kontinuální a pracují v pulzním režimu, přičemž v takovém případě je lze kvalifikovat také podle charakteristické doby trvání jejich pulsů (kontinuální lasery / pikosekundové lasery / femtosekundové lasery ).
Tyto lasery používají jako médium pro vyzařování fotonů pevné médium, například krystaly nebo brýle . Krystal nebo sklo je pouze matrice a musí být dopován iontem, kterým je laserové médium. Nejstarší je rubínový laser, jehož emise pochází z iontu Cr 3+ . Jiné ionty jsou široce používány (většina vzácných zemin : Nd , Yb , Pr , Er , Tm ... , mimo jiné titan a chrom ). Emisní vlnová délka laseru závisí hlavně na dopantovém iontu, ale matice také ovlivňuje. Sklo dopované neodymem tedy nevyzařuje na stejné vlnové délce (1053 nm ) jako neodymem dopovaný YAG (1064 nm ). Pracují nepřetržitě nebo na impulsní bázi (pulzy od několika mikrosekund do několika femtosekund - miliontina miliardtiny sekundy). Jsou schopné vyzařovat viditelné, blízké infračervené a ultrafialové paprsky .
Zesilujícím médiem může být tyč v případě Nd-YAG laseru (tedy dotovaného Nd a maticí je YAG: granát z hliníku a yttria ), ale může to být také ve formě „vlákna v případ vláknových laserů (proto dopovaných Yb a matrice je vyrobena z oxidu křemičitého). Dnes nejpoužívanějším zesilovacím médiem pro generování femtosekundových pulzů je safír dotovaný titanem . Má dva absorpční pásy se středem na 488 a 560 nm . Má široké emisní spektrum se středem na 800 nm .
Kromě velikosti krystalů přijatelné optické kvality , Tyto lasery umožňují získat výkony řádově v kontinuálním kW a pulzním GW. Používají se pro vědecké i průmyslové aplikace, zejména pro svařování, značení a řezání materiálů.
Tento typ laseru vypadá jako pevný laser. Zde je zesilovacím médiem optické vlákno dopované ionty vzácných zemin . Získaná vlnová délka závisí na zvoleném iontu (Samarium 0,6 μm ; Ytterbium 1,05 μm ; Erbium 1,55 μm ; Thulium 1,94 μm ; Holmium 2,1 μm ). Tato technologie je relativně nedávná (první pochází z roku 1964), ale dnes existují lasery s jedním režimem a výkonem kolem deseti kilowattů. Výhodou těchto laserů je, že stojí méně, mají menší stopu a jsou odolné vůči vibracím. Kromě toho není nutné je chladit pod 10 kW .
U kapalných laserů je emisním médiem organické barvivo ( například rhodamin 6G ) v kapalném roztoku uzavřeném ve skleněné lahvičce. Vyzařované záření může být kontinuální nebo diskontinuální v závislosti na režimu čerpání. Vyzařované frekvence lze upravit pomocí regulačního hranolu , což činí tento typ zařízení velmi přesným. Volba barviva v podstatě určuje barevnou škálu paprsku, který bude vyzařovat. Přesnou barvu (vlnovou délku) lze upravit optickými filtry.
Médiem generujícím foton je plyn obsažený ve skleněné nebo křemenné trubici . Vyzařovaný paprsek je obzvláště úzký a frekvence vyzařování je velmi malá. Nejznámějšími příklady jsou hélium-neonové lasery ( červené při 632,8 nm ), používané v seřizovacích systémech (veřejné práce, laboratoře), a lasery pro výstavy.
Lasery na oxid uhličitý jsou schopné produkovat velmi vysoké výkony (pulzní provoz) řádově 10 6 W. Jedná se o nejpoužívanější laserové značení na světě. CO 2 laser (10,6 um infračervené ), může být použit, například, pro rytí nebo řezání materiálů.
Existuje také podskupina plynových laserů: excimerové lasery, které emitují ultrafialové záření. Ve většině případů jsou složeny z alespoň jednoho vzácného plynu a obvykle z plynného halogenu.
Termín „excimer“ pochází z anglického excitovaného dimeru, což znamená excitovanou molekulu složenou ze dvou identických atomů (např. Xe 2 ). Některé takzvané excimerové lasery však používají exciplexy, což jsou molekuly složené ze dvou různých atomů (například vzácný plyn a halogen : ArF , XeCl ). Měly by se proto nazývat lasery exciplexu spíše než lasery excimerové .
Elektrická excitace směsi produkuje tyto molekuly exciplexu , které existují pouze v excitovaném stavu. Po emisi fotonu se exciplex zmizí, protože její atomy oddělují, takže foton nelze reabsorbed nevybuzeném excimerové, což umožňuje dobrou laserové účinnost.
Příklad: Lasik
Nakonec je zdrojem záření z takzvaných „chemických“ laserů reakce, nejčastěji exotermická, vyzařující elektromagnetické záření.
Příklad: COIL, Laser Miracl
V laserové diodě (nebo polovodičovém laseru) se čerpání provádí pomocí elektrického proudu, který obohacuje generující médium v otvorech (otvor je oblast krystalu s kladným nábojem, protože mu chybí elektron) na jedné straně a další elektrony na druhé. Světlo je produkováno na křižovatce rekombinací otvorů a elektronů. Tento typ laseru často nemá dutinová zrcadla: prostý fakt štěpení polovodiče s vysokým optickým indexem umožňuje získat dostatečný koeficient odrazu pro spuštění laserového efektu.
Je to tento typ laseru, který představuje drtivou většinu (co do počtu i obratu ) laserů používaných v průmyslu. Jeho výhod je skutečně mnoho: za prvé umožňuje přímé spojení mezi elektrickou energií a světlem, a tudíž i aplikace v telekomunikacích (u vstupu do sítí optických vláken ). Tato přeměna energie se navíc provádí s dobrou účinností (řádově 30 až 40%). Tyto lasery jsou levné, velmi kompaktní (aktivní oblast je mikrometrická nebo dokonce menší a celé zařízení má velikost řádově milimetr). Nyní je známo vyrábět takové lasery pro získání světla téměř v celém viditelném rozsahu, ale lasery dodávající červenou nebo blízkou infračervenou oblast zůstávají nejpoužívanějšími a nejméně nákladnými. Jejich oblasti použití jsou nespočetné: optické mechaniky (CD), telekomunikace, tiskárny, „čerpací“ zařízení pro větší lasery (např. Polovodičové lasery), ukazatele atd. Pamatujte, že předpisy platné ve Francii zakazují výrobu osvětlení nad 1000 metrů.
Mají stejné nevýhody, vyzařované světlo je obecně méně směrové a méně spektrálně „čisté“ než světlo jiných typů laserů (zejména plyn); to ve většině aplikací není problém.
Zařízení, které je ve své činnosti velmi blízké, ale které není laserem, je LED : čerpací zařízení je stejné, ale výroba světla není stimulována , je produkována spontánním odbuzením, takže vyrobené světlo ano nevykazují koherenční vlastnosti charakteristické pro laser.
Tento typ laseru je velmi speciální, protože jeho princip je zcela odlišný od principu vysvětleného výše. Světlo tam není produkováno dříve excitovanými atomy, ale synchrotronovým zářením produkovaným zrychlenými elektrony. Elektronový paprsek, vycházející z elektronového urychlovače, je odeslán do invertoru vytvářejícího periodické magnetické pole (díky sestavě permanentních magnetů). Tento střídač je umístěn mezi dvěma zrcadly, jako na schématu běžného laseru: synchrotronové záření je zesíleno a stává se koherentním , to znamená, že získává vlastnosti světla produkovaného v laserech.
Stačí nastavit rychlost elektronů tak, aby poskytovaly velmi jemně vyladěné frekvenční světlo ve velmi širokém rozsahu, od daleko infračerveného (terahertz) až po rentgenové záření, a výkon laseru lze nastavit také tokem elektronů až do vysokých úrovní. Je také možné mít krátké a přesné intervalové laserové pulsy. Díky tomu je tento typ laseru velmi univerzální a velmi užitečný pro výzkumné aplikace. Výroba je však nákladnější, protože je nutné sestrojit urychlovač částic .
Teramobile laser je mobilní přístroj, který poskytuje velmi silný, ultrakrátkých laserových pulsů. Teramobilní laser lze použít k detekci a měření látek znečišťujících ovzduší nebo k odpálení blesku přímou cestou.
V závislosti na vlnové délce výkonu a emise laseru může představovat skutečné nebezpečí pro zrak a způsobit neopravitelné popáleniny sítnice . Z bezpečnostních důvodů francouzské právo zakazuje použití laserů třídy vyšší než 2 mimo seznam konkrétních povolených použití.
Nový standard:
Třídy byly stanoveny podle lézí, které mohou způsobit laser, liší se podle frekvence laseru. Infračervené (IR B a IR C) a ultrafialové (UV) lasery způsobují poškození rohovky , čoček nebo povrchové poškození kůže, zatímco viditelné a blízké infračervené (IR A) lasery se mohou dostat na sítnici a kůži. “ Hypodermis .
Ve viditelném rozsahu jsou pro kontinuální laser třídy:
Laserové aplikace využívají prostorové a časové koherenční vlastnosti laseru. Mohou být klasifikovány víceméně podle odrazu nebo absorpce laseru. Objevují se tedy dvě velké rodiny, která obsahuje aplikace pro přenos informací a která se zabývá přenosem energie.
2místné zkratky |
3místné akronymy |
4místné zkratky |
► Zkratky o 5 znacích |
6místné zkratky |
7místné akronymy |
8místná zkratka |