Qu'est-ce que le Laser ?

Depuis que les États-Unis ont développé avec succès le premier laser à rubis au monde en 1960 et que la Chine a également développé avec succès le premier laser à rubis national (né à l'Institut d'optique et de machines de précision de Changchun, Académie chinoise des sciences) en 1961, la technologie laser est considérée comme la deuxième au XXe siècle, après la physique quantique, la technologie radio, la technologie de l'énergie atomique, la technologie des semi-conducteurs. Une autre grande nouveauté scientifique et technologique après l'informatique.

Aujourd'hui, nous avons des lasers pour les lecteurs de CD et de DVD dans nos maisons, des imprimantes laser dans nos bureaux et des lecteurs de codes-barres dans les centres commerciaux. Les gens utilisent le laser pour traiter la myopie, envoyer des e-mails et parcourir des vidéos via un réseau de fibre optique. ou pas, chacun de nous utilise le laser tous les jours, mais combien de personnes comprennent vraiment ce qu'est le laser et comment il fonctionne ?

Le laser est une sorte de lumière qui n'existe pas dans la nature et qui est émise en raison de l'excitation. Il a les caractéristiques d'une bonne directivité, d'une luminosité élevée, d'une bonne monochromaticité et d'une bonne cohérence.

Le mécanisme de génération du laser remonte à l'hypothèse avancée par Einstein lors de l'explication de la loi de rayonnement du corps noir en 1917, c'est-à-dire que l'absorption et l'émission de lumière peuvent passer par trois processus de base : l'absorption stimulée, le rayonnement stimulé et l'émission spontanée. Comme nous le savons tous, la luminescence de tout type de source lumineuse est liée à l'état de mouvement des particules dans la matière. Lorsqu'une particule (atome, molécule ou ion) à un faible niveau d'énergie absorbe de l'énergie externe (lumière) à une fréquence appropriée et est excité pour passer au niveau d'énergie élevé correspondant (absorption stimulée), il essaie toujours de passer à un niveau d'énergie inférieur et libère l'excès d'énergie sous forme de photons.

Si la lumière est libérée spontanément sans l'action de photons externes (émission spontanée), la lumière libérée est une lumière ordinaire (comme les lumières électriques, les néons, etc.), qui se caractérise par l'incohérence de la fréquence, de la direction et du rythme de la lumière.

Cependant, si l'énergie excédentaire est libérée sous forme de photons (rayonnement stimulé) lors de la transition du niveau de haute énergie au niveau de basse énergie sous l'action directe de photons externes, les photons libérés sont parfaitement cohérents avec les photons incidents externes dans termes de fréquence, de phase et de direction de propagation, ce qui signifie que la lumière externe a été renforcée, ce que l'on appelle l'amplification de la lumière.

Figure : mécanisme de génération laser : (gauche) absorption stimulée, (milieu) émission spontanée, (droite) émission stimulée

La génération de laser doit répondre à trois conditions : inversion du nombre de particules, rétroaction de la cavité et respect de la condition de seuil. Grâce à l'absorption stimulée, le nombre de particules au niveau d'énergie élevé est supérieur à celui au niveau d'énergie faible (inversion du nombre de particules). Il est également nécessaire de créer des surfaces de réflexion parallèles pouvant réfléchir les photons aux deux extrémités de la région active pour former une cavité résonnante et rendre le gain supérieur à la perte, c'est-à-dire que le nombre de photons nouvellement générés en même temps est supérieur. que le nombre de photons absorbés diffusés. Ce n'est que lorsque ces trois conditions sont remplies que le laser peut être produit.

Caractéristiques du laser

Le laser est connu sous le nom de lumière magique car il possède quatre caractéristiques que la lumière ordinaire n'a pas du tout.

——Les sources lumineuses ordinaires (soleil, lampe à incandescence ou lampe fluorescente) émettent de la lumière dans toutes les directions, et la direction lumineuse du laser peut être limitée à un angle solide de moins de quelques milliradians, ce qui augmente l'éclairement dans la direction d'irradiation de dix millions de fois. Le diamètre de diffusion du laser est inférieur à 1 mètre tous les 200 kilomètres, s'il atteint 3,8 loin de la terre × Lorsque la lune est à 105 km, le faisceau lumineux se propage à moins de 2 km, tandis que le projecteur ordinaire se propage à des dizaines de mètres à des milliers de mètres.

1.Bonne directivité

La collimation, le guidage et la télémétrie laser utilisent la caractéristique d'une bonne directivité.

——Le laser est la source de lumière la plus brillante des temps modernes. Seul le flash puissant au moment de l'explosion de la bombe à hydrogène peut être comparé à celui-ci. La luminosité du soleil est d'environ 1,865 × 109Cd / m2, et la luminosité de sortie d'un laser haute puissance peut être de 7 à 14 ordres de grandeur plus élevée que celui de la lumière du soleil.

2.Haute luminosité

Bien que l'énergie totale du laser ne soit pas nécessairement importante, en raison de la forte concentration d'énergie, il est facile de produire une haute pression et une température élevée de dizaines de milliers de degrés Celsius ou même de millions de degrés Celsius à un micropoint. Des applications pratiques telles que car le perçage au laser, la découpe, le soudage et la chirurgie au laser utilisent cette caractéristique.

——La lumière est une onde électromagnétique. La couleur de la lumière dépend de sa longueur d'onde. La lumière émise par les sources lumineuses ordinaires contient généralement différentes longueurs d'onde, qui sont un mélange de différentes couleurs. La lumière du soleil comprend la lumière visible en sept couleurs : rouge, jaune, vert , vert, bleu et violet, ainsi que la lumière invisible telle que la lumière infrarouge et la lumière ultraviolette.

3. Bonne monochromaticité

La longueur d'onde d'un laser n'est concentrée que dans une bande spectrale ou une plage de fréquences très étroite. Par exemple, la longueur d'onde du laser He Ne est de 632,8 nm et sa plage de variation de longueur d'onde est inférieure à 1/10000 nm. La bonne monochromaticité du laser fournit un moyen très favorable pour un instrument de précision pour mesurer et stimuler certaines expériences scientifiques telles que les réactions chimiques.

——L'interférence est un attribut du phénomène d'onde. Basé sur les caractéristiques de haute directivité et de haute monochromaticité, le laser est forcément une lumière avec une excellente cohérence. Cette caractéristique du laser fait de l'holographie une réalité.

4.Bonne cohérence

Type de laser

Dans la source lumineuse, la réalisation de l'inversion du nombre de particules au niveau de l'énergie est la prémisse de l'amplification de la lumière, c'est-à-dire la condition préalable de la génération laser. Pour réaliser l'inversion du nombre de particules, nous devons utiliser la puissance de la lumière externe pour faire un grand le nombre de particules à faible niveau d'énergie passe à un niveau d'énergie élevé. Ce processus est appelé « excitation ».

Le laser que nous appelons habituellement est un appareil qui excite les particules dans la source lumineuse pour produire une transition de rayonnement stimulée, réalise l'inversion du nombre de particules, puis génère une amplification de la lumière par rayonnement stimulé. Bien qu'il existe de nombreux types de lasers, leur mission est de obtenir des lasers par excitation et rayonnement stimulé. Par conséquent, le laser est généralement composé de trois parties : le milieu d'activation (c'est-à-dire le matériau de travail qui peut produire une inversion du nombre de particules après avoir été excité), le dispositif d'excitation (c'est-à-dire l'énergie qui peut rendre la particule inversion de nombre du milieu d'activation, la source de pompe) et le résonateur optique (c'est-à-dire les deux miroirs plans qui peuvent faire osciller le faisceau de façon répétée et l'amplifier plusieurs fois).

Figure : principe de fonctionnement du laser

Puisque nous pouvons exciter de nombreux types d'atomes de différentes manières, nous pouvons (théoriquement) fabriquer de nombreux types de lasers différents.

Il existe de nombreux types de lasers, parmi lesquels les plus connus sont les lasers à solide, à gaz, à colorants liquides, à semi-conducteurs et à fibre. ses atomes énergétiques. Pour fonctionner efficacement, les solides doivent être dopés, ce qui consiste à remplacer certains atomes par des ions d'impuretés afin d'avoir des niveaux d'énergie appropriés pour produire un laser avec une certaine fréquence précise. Les lasers à semi-conducteurs produisent des faisceaux de haute puissance, impulsions généralement très courtes. En revanche, les lasers à gaz utilisent un gaz inerte (appelés lasers à excimère) ou du dioxyde de carbone (CO2) comme moyen pour produire une lumière vive continue. Le laser CO2 a une fonction puissante et un rendement élevé. Il est souvent utilisé dans la découpe et le soudage industriels. Les lasers à colorant liquide utilisent la solution de molécules de colorant organique comme support. Le principal avantage est qu'ils peuvent être utilisés pour produire une bande de fréquences optiques plus large que les lasers à solide et à gaz, et peuvent même être «accordés» pour produire des fréquences différentes.

Selon la longueur d'onde, la gamme de longueurs d'onde couverte comprend l'infrarouge lointain, l'infrarouge, la lumière visible, l'ultraviolet et l'ultraviolet lointain. Récemment, les lasers à rayons X et les appareils à rayons X ;

Selon différents modes d'excitation, il existe une excitation lumineuse (source lumineuse ou excitation ultraviolette), une excitation par décharge gazeuse, une excitation par réaction chimique, une excitation par réaction nucléaire, etc.

Selon différents modes de sortie, il existe une impulsion continue, une impulsion unique, une impulsion continue et une impulsion ultracourte, etc.

En termes de puissance de sortie, la puissance de sortie continue est aussi petite que le niveau micro watt et jusqu'au niveau mégawatt. La sortie d'énergie de l'impulsion peut aller de micro Joule à plus de 100000 Joule, et la largeur d'impulsion va de la milliseconde à la picoseconde et même femtoseconde (1/1000 trillion).

Divers lasers répondent à différentes exigences d'application. Par exemple, le traitement au laser et certains lasers militaires nécessitent un laser haute puissance ou un laser haute énergie (appelé laser haute puissance).Certains espèrent raccourcir le temps d'impulsion autant que possible afin de s'engager dans la recherche de certains processus express.Certains ont également mis en avant des exigences élevées pour améliorer la monochromaticité de la lumière, améliorer le mode de sortie de la lumière, améliorer la distribution de l'intensité lumineuse de tache lumineuse et nécessitant une longueur d'onde réglable. Ces exigences incitent les chercheurs en laser à continuer à explorer, de sorte que la profondeur d'exploration et l'étendue des applications du laser ont été développées sans précédent.

Applications laser en plein essor

La soi-disant technologie laser est le nom général de l'exploration et du développement de diverses méthodes de génération de laser et de l'exploration et de l'application de ces caractéristiques du laser au profit de l'humanité.

50Au fil des ans, la technologie et les applications laser se sont développées rapidement et ont été combinées à de nombreuses disciplines pour former un certain nombre de domaines technologiques d'application, tels que la technologie photoélectrique, la médecine laser et la biologie des photons, la technologie de traitement laser, la technologie de détection et de mesure laser, la technologie laser. technologie holographique, technologie d'analyse spectrale laser, optique non linéaire, science laser ultrarapide, chimie laser, optique quantique, lidar, guidage laser, séparation isotopique laser, fusion nucléaire contrôlée par laser, armes laser, etc. L'émergence de ces technologies croisées et de nouvelles disciplines a grandement favorisé le développement des industries traditionnelles et émergentes.

1.Application du laser dans le champ d'information

Le laser à semi-conducteur et l'amplificateur à fibre sont deux technologies clés de la communication par fibre optique.

Le laser émis par le laser à semi-conducteur a non seulement une bonne monochromaticité et cohérence, mais également la fréquence des ondes lumineuses est 10000 fois supérieure à la fréquence des micro-ondes. Par conséquent, la communication par fibre optique avec laser en tant que support de transmission d'informations et fibre optique en tant que ligne de transmission d'informations a non seulement une bonne qualité de communication, une forte capacité anti-interférence et une bonne confidentialité, mais également la capacité de communication est 10000 fois supérieure à celle de communication par micro-ondes.

L'utilisation de la technologie laser pour le stockage optique a révolutionné le stockage de l'information. La densité d'enregistrement d'un disque audio CD équivaut à 10 millions de bits/cm2 et peut enregistrer 78 minutes de programmes musicaux, ce qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à cela. d'un disque compact.

Image : laser et lentille d'un disque dans un lecteur de CD ou de DVD. Le petit cercle en bas à droite est une diode laser à semi-conducteur, tandis que le plus grand cercle bleu est une lentille qui lit la lumière après que le laser est réfléchi par la surface lisse du Disque optique.

En outre, l'imprimante laser, le télécopieur laser, la photocomposition laser, la télévision couleur grand écran laser, la télévision par câble à fibre optique et la communication laser atmosphérique ont été largement utilisés.

2.Application du laser en holographie

En tant que phénomène ondulatoire, la lumière est caractérisée par la longueur d'onde (liée à la couleur), l'amplitude (liée à l'intensité de la lumière) et la phase (représentant la relation entre le point de départ de l'onde et le temps de référence).

Les gens ne peuvent enregistrer la longueur d'onde et l'amplitude qu'en utilisant la méthode de photographie photosensible, donc peu importe son réalisme, regarder l'image est toujours différent de regarder la scène réelle.

Le laser a une cohérence élevée et peut obtenir toutes les informations de l'espace des ondes d'interférence, y compris la phase. Par conséquent, en utilisant l'holographie laser, toutes les informations de l'objet photographié sont enregistrées sur le film négatif, et l'image tridimensionnelle réaliste de l'objet photographié peut être reproduit par diffraction de la lumière.

L'hologramme a les caractéristiques de l'imagerie tridimensionnelle et peut être enregistré à plusieurs reprises, et chaque petit négatif holographique peut reproduire l'image tridimensionnelle complète de l'objet. Il peut être largement utilisé dans la recherche scientifique telle que l'interférométrie de précision, les tests non destructifs, la photoélasticité holographique, l'analyse des micro-contraintes et l'analyse des vibrations.

Parmi eux, l'interférométrie holographique a été largement utilisée pour étudier le processus de combustion des gaz, le mode de vibration des pièces mécaniques, la qualité de liaison de la structure en nid d'abeille et l'inspection des défauts sous-cutanés des pneus automobiles. De plus, l'utilisation de l'holographie comme anti- la marque de contrefaçon pour les produits de base et les cartes de crédit a formé une industrie. Photographier des œuvres d'art précieuses avec holographie permet non seulement aux gens de se sentir sur place, mais fournit également une base fiable et réaliste pour la réparation d'œuvres d'art. Le développement de la télévision holographique ajoutera également un nouveau plaisir à la vie des gens.

3.Application du laser dans le domaine médical

L'application du laser en médecine est divisée en deux catégories : le diagnostic au laser et la thérapie au laser. Le premier utilise le laser comme support d'information et le second prend le laser comme support d'énergie.

Dans l'aspect du diagnostic au laser, le laser peut pénétrer profondément dans le tissu pour le diagnostic, refléter directement l'état du tissu et fournir une base suffisante pour le diagnostic des médecins.

En thérapie au laser, la technologie laser est devenue un moyen efficace de traitement clinique et une technologie clé pour le développement du diagnostic médical. Elle résout de nombreux problèmes difficiles en médecine, tels qu'une petite incision dans la chirurgie au laser, peu ou pas de dommages aux tissus et peu effets toxiques et secondaires. À l'heure actuelle, les domaines d'application clinique du laser comprennent la correction de la myopie, la réparation rétinienne, la réparation de la carie dentaire, la chirurgie moléculaire mini-invasive, etc. À l'heure actuelle, l'excellente recherche d'application de la médecine laser se reflète principalement dans les aspects suivants : thérapie photodynamique du cancer;Traitement au laser des maladies cardiovasculaires;Kératoplastie au laser excimer;Cosmétologie au laser;Endoscopie à fibre laser;Chirurgie laparoscopique au laser;Chirurgie thoracoscopique au laser;Chirurgie arthroscopique au laser;Lithotripsie au laser;Chirurgie au laser;Application du laser en anastomose;Application du laser en chirurgie buccale et maxillo-faciale et dentisterie ; thérapie au laser faible, etc. À l'heure actuelle, la thérapie au laser a maintenu un sus dynamique de développement soutenue et forte dans de nombreux aspects, tels que la recherche fondamentale, le développement de nouvelles technologies, le développement et la production de nouveaux équipements.

Figure : application du laser en stomatologie

traitement 4.laser

En utilisant la haute intensité (luminosité) du laser, la focalisation faisceau laser peut émettre une énergie lumineuse de 100J en 1 ms, ce qui est suffisant pour faire fondre ou vaporiser le matériau en peu de temps, afin de traiter les matériaux avec différentes caractéristiques difficiles à traiter, comme le soudage, le perçage, la découpe, le traitement thermique, la lithographie , etc.

Le traitement au laser présente les avantages d'une haute précision, d'une faible distorsion, du sans contact et de l'économie d'énergie. Ses domaines d'application peuvent presque couvrir l'ensemble de l'industrie de la fabrication de machines, y compris les machines minières, l'industrie pétrochimique, l'énergie électrique, les chemins de fer, l'automobile, la construction navale, la métallurgie, les équipements médicaux, l'aviation, les machines-outils, la production d'énergie, l'impression, l'emballage, les moules, les produits pharmaceutiques et autres. L'usure et la corrosion des pièces clés et des équipements de précision peuvent être réparées et optimisées grâce à la technologie de revêtement laser, qui est devenue un outil puissant pour transformer la corruption en magie.

5. mesure de précision

La mesure de précision utilise les caractéristiques d'une bonne monochromaticité laser, d'une forte cohérence et d'une bonne directivité. Par rapport à d'autres télémètres, la télémétrie laser présente les avantages d'une longue distance de détection, d'une haute précision, d'une anti-interférence, d'une bonne confidentialité, d'un petit volume et d'un poids léger. Le télémètre envoie une impulsion optique, qui est réfléchie par la cible mesurée, puis revient au système de réception pour mesurer l'intervalle de temps entre la transmission et la réception.

Le laser a à la fois une luminosité élevée et une cohérence élevée, ce qui permet d'appliquer l'effet Doppler de la lumière dans la mesure de la vitesse.Lidar est un système radar qui émet un faisceau laser pour détecter la position, la vitesse et d'autres caractéristiques de la cible.En termes de principe de fonctionnement , il n'y a pas de différence fondamentale entre le lidar et le radar à micro-ondes : transmettre le signal de détection (faisceau laser) à la cible, puis comparer le signal reçu réfléchi par la cible (écho cible) avec le signal transmis. Après un traitement approprié, les informations pertinentes de la cible peuvent être obtenues, telles que la distance de la cible, l'azimut, l'altitude, la vitesse, l'attitude et même la forme et d'autres paramètres, afin de détecter, suivre et identifier les avions, les missiles et d'autres cibles. Il joue un rôle important dans le domaine militaire et est devenu une arme puissante pour la surveillance de l'environnement.

De plus, la détection des ondes gravitationnelles utilise également l'interférométrie laser pour détecter directement l'onde gravitationnelle dans la bande des moyennes et basses fréquences, et observer le rayonnement des ondes gravitationnelles généré par la fusion des doubles trous noirs et des corps célestes avec un rapport de masse maximal, ainsi comme d'autres processus de rayonnement d'ondes gravitationnelles cosmiques.

Le laser est l'une des inventions les plus importantes de l'humanité au XXe siècle. L'application de technologie laser a été largement pénétré dans tous les aspects de l'industrie, de l'agriculture, de l'armée, de la médecine et même de la société. Elle joue un rôle de plus en plus important dans le progrès de la société humaine et change miraculeusement notre monde.