5/ Fonctionnement du laser

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1 5/ Fonctionnement du laser La longueur d onde du laser est de 532 nanomètres (532x10-9 m) soit dans le vert. Le choix de cette longueur d onde n est pas fait au hasard car la matière va interagir avec un faisceau laser selon la valeur de son énergie. La lumière est constitué d un champ électrique et se propage grâce à des «photons», des petites particules de masse nulle qui transportent l énergie de cette lumière (la lumière du soleil chauffe, elle est énergétique) à la vitesse de la lumière (300000km.s -1 ). L énergie d un photon est directement proportionnelle à la longueur d onde de celui-ci : Avec h la constante de planck. Ainsi plus la longueur d onde du photon, du rayonnement laser, diminue, plus l énergie transportée augmente! Un faisceau laser à 532 nm est le laser le moins couteux à produire pour obtenir le maximum d énergie possible. Il existe des lasers UV (émettant dans le 300nm-400nm) donc possédant des énergies très élevés, mais ceux-ci sont très couteux, de même qu il existe des diodes lasers de 405 nm, mais celle-ci sont limité en puissance (maximum 300mW, contre les 2W nécessaires). La matière ne va pas forcément interagir (absorber le faisceau) avec un faisceau plus énergétique qu un autre, cela dépend de nombreux facteurs physiques au niveau quantique. Par exemple, le 1064 nm dans l infrarouge (laser CO2 industrielle), est parfaitement adapté à la gravure sur métal (plaque signalétique de voiture, marquage cannette ect ) car le métal absorbe à cette longueur d onde. Un photon à 532 nm, bien que plus énergétique, ne sera pas absorbé par le métal, mais réfléchi, et donc la puissance du faisceau ne sera pas absorbé mais réfléchi et la matière ne subira pas de transformation. Dans le cas du verre, il semble que le 1064 marche aussi pour le verre, mais de haute puissance sont nécessaire car le verre en réfléchit une grande partie. Le 532 nm permet de graver dans le verre car celui-ci est transparent dans le spectre visible, et lorsque l intensité au niveau du waist est importante, le verre n a plus le choix que d absorber localement le faisceau. Dans le cas du 1064, le faisceau entrant serait progressivement absorbé, et donc la puissance au niveau du waist serait encore plus faible, d où les puissances plus importante nécessaire pour compenser l absorption de l infrarouge par le verre, d où des machines couteuse. Fabriquer du 532 nm est un processus complexe mais accessible, c est un système délicat et chaque photon de 532 nm provient d une succession d opération à partir d un faisceau initial. On peut s intéresser rapidement à comment fabriquer un laser à 532 nm (typiquement le fonctionnement de la machine Cerion), le même principe s applique aussi bien pour les pointers laser, ou à la machine de laboratoire, les composants sont exactement les mêmes, excepté leur tailles et quelque améliorations que l on apporte pour obtenir plus de puissance.

2 Pointer laser typique On va étudier le cas le plus simple et migrer vers ceux légèrement plus compliqué, mais le principe reste le même. Les pointers lasers vert sont plus chers que les rouges car la technologie de production de vert est plus compliquée que la production de rouge. Données laser de la machine C-compac de Cerion «laser à corps solides»

3 Il faut 3 composants principaux pour faire un laser à 532 nm : Pour produire du 532 nm, on part d un faisceau laser initial dit «pompe». Ce faisceau pompe va «pomper» un cristal de Y 3 Al 5 O 12 (Yag) dopé à 1% de Néodyme. Ce cristal de Nd :Yag possède le spectre d absorption ci dessous: En abscisse la longueur d onde.

4 Le spectre permet de voir que le cristal va absorber presque à 90% la totalité d une lumière dont la longueur d onde se rapproche de 800 nm. Le cristal de Nd :Yag va absorber le rayonnement à 808nm issu du faisceau pompe (diode laser) et cette absorption de lumière va se traduire par la création d un autre faisceau produit par le cristal, qui va émettre une lumière cohérente à 1064 nm. Ce faisceau à 1064 nm va ensuite traverser un cristal dit de «KTP» (KTiOPO 4 ) qui va absorber une partie du faisceau, puis va réémettre une lumière dont la longueur d onde est exactement 532 nm (en fait ce cristal est un doubleur de fréquence, il va diviser par 2 la longueur d onde initial) On peut voir un peu plus en détail les propriétés des composants utilisés : 1) La «pompe» à 808 nm. C est une diode laser de forte puissance, une diode laser est un composant qui contient plusieurs dizaines de sous composants, chacun étant un semi-conducteur qui, lorsque l on applique un fort courant, produit de la lumière cohérente de longueur d onde 808 nm (entre autre). (ci-dessus) Les diodes lasers dans les petits pointeurs laser ont des puissances typique jusqu'à 500 mw, voir 1W ou 2 W pour les modèles costaud. (ci-dessus gauche)ce module de 30 w mesure environs 7 cm sur 4. Il nécessite un courant de 40Ampére (d où la taille énorme des 2 bornes situés au fond) sous quelques volts. La lumière sort d une fibre optique visible juste sur l avant du module. La photo de droite montre un module de 50W, refroidit par eau (2 tuyaux sortent à l extrême droite de la photo) La machine Cerion possède probablement une diode laser de minimum 20 Watt (photo cidessus) ce qui représente une puissance colossale (pour les ordres de grandeur, 0.05W suffit à rendre un œil aveugle). C est une puissance importante pour un faible encombrement, mais une diode laser est surtout très couteuse, plusieurs milliers d euros (moins de 10k ) le composant le plus couteux d un laser 532 nm. Les diodes lasers sont des composants

5 extrêmement fragiles, la moindre électricité statique, température élevé, ou humidité trop importante peut entraîner sa destruction. Leur avantage est leur rendement électrique : jusqu a 50 %. Si la température du module est trop élevé, la quantité de lumière produite peut s effondrer, le refroidissement se fait à air pour les «faible» puissances, et à eau pour les puissances élevés. Les forts courant employés nécessite l utilisation de fil de cuivre épais pour minimiser les pertes par effet joules. Il existe une autre alternative aux diodes laser, ce sont les lampes flash. Moins couteuse (100 ) mais de rendement plus faible, ce sont des lampes au Xenon qui émettent un spectre large. En bleu foncé le spectre d absorption du Nd :Yag. En bleu clair le spectre d émission de la lampe. 90 % de la lumière envoyé par la lampe sur le cristal est perdu car le cristal n absorbe pas la lumière dont la longueur d onde est inférieure à 800 nm. un laser pompé par lampe flash Pour augmenter le rendement, un utilise plusieurs lampe flash qui illumine le cristal Nd :Yag, dont la géométrie est cylindrique. Prenons le cas pour les exemples suivant d une pompe à 808 nm de puissance 20 W. 2./ Le cristal de nb : Yag Plusieurs géométries de cristal sont possibles en fonction de la nature de la pompe, cylindrique pour des lampes flash, rectangulaire pour des diodes laser.

6 Lorsque le faisceau pompe traverse le cristal, celui ci l absorbe en partie et produit une lumière cohérente à 1064 nm. Mais cette conversion 808=>1064 ne se fait pas à 100% : tout au plus 30 % de la lumière incidente sera convertit en 1064 nm. Si notre pompe fait 20W, cela veut dire que l on obtiendra 6 watts de 1064nm, le reste est perdu en rayonnement non converti qui on été absorbé, ou simplement transmis. L absorption de lumière par le cristal se traduit par une augmentation de sa température, et si sa température augmente, sa conversion optique diminue très rapidement, (<<30%) et si la température excède une valeur limite, celui-ci explose (typique dans les labos) car le seuil de dommage d un matériau varie avec la température (diminue si T augmente). Il faut donc maintenir le cristal dans une gamme de température contrôlé aux degrés près (afin d avoir la même valeur de conversion), cela se fait avec des modules thermoélectriques et des capteurs de températures ce qui nécessite un circuit de régulation complexe. Dans les petits pointeur laser, le cristal de Nd :Yag (ou YVO 4 une autre version) mesure approximativement 1mm² sur 1 mm de profondeur. Dans les lasers plus puissants comme la machine Cerion, le cristal doit mesurer 1cm 3 pour plusieurs millier d euro. Les propriétés du cristal peuvent s altérer avec l humidité de l environnement, mais cela reste faible comparé à d autre. 3/ Le cristal doubleur de fréquence Simplement, ce cristal anisotrope permet de convertir la lumière absorbé à 1064 nm en une lumière de 532 nm. Comme le Nd :Yag, il existe un facteur de conversion optique entre le 1064 et le 532 nm, soit entre 35 et 40 %. Sur les 6 Watts de 1064nm traversant le cristal, celui produira un rayonnement cohérent à 532 nm d une puissance de 2.1 watt (conversion 35%). Comme le cristal de Nd :Yag, celui-ci doit être contrôlé en température sinon le facteur de conversion s écroule, de même qu il faut veiller à ne pas exposer le cristal à des rayonnements trop intense au risque de voir celui-ci exploser. Pour les lasers de haute puissance (Cerion), un cristal doubleur à la même surface que le cristal de Nd :Yag, mais une

7 longueur plus élevé (1.5 cm, voir 2cm), et vaut largement plusieurs millier d euro. Dans les petits pointeurs laser, le cristal mesure environs 1mm 3. Sur les 20 Watt envoyé par la pompe, on récupère environs 2.1 W de 532 nm. (les valeur de conversion utilisée pour l exemple sont réels, ils peuvent être de l ordre de 35%-35% mais pas plus, soit une puissance de sortie égale à environs 2.5 Watt.). Le rendement d un laser 532 nm est donc faible et passe par nombres d éléments. En fait, avant chaque cristal se trouve des lentilles pour focaliser le rayonnement dans les cristaux afin d atteindre le maximum de conversion, les cristaux sont soumis à des conditions sévères de rayonnement qui induisent des températures élevé qui doivent être évacué par un système de refroidissement important. Entre le cristal de Nd :Yag, on ajoute souvent des miroirs qui permettent d augmenter la production de 1064 nm. On vient de décrire le fonctionnement d un laser à 532 nm, qui émet donc de la lumière de façon continu, mais limité à de faible puissance. En effet, si les cristaux étaient soumis à un rayonnement de 20 W continument, il exploserait. La lumière entrant dans le milieu amplificateur (Nd :yag) est en fait stocké un certain temps par un système de «Q-switching» puis brusquement libéré. Ce sont en fait des pulses de lumières qui passent à travers les cristaux. Entre chaque pulse, le cristal à le temps de se refroidir convenablement avant de voir passer une autre impulsion. Le Q switching permet aussi d obtenir des puissances très élevé en libérant très rapidement (ordre de grandeur :nanosecondes) les rayonnements issus de la cavité laser (pour la même énergie, plus la durée du pulse est faible et plus la puissance maximal est élevé). Le jeu des lentilles et miroirs dans le système induisent aussi des pertes par réflexion et absorption abaissant encore la quantité de 532 nm que l on obtient. Mis bout à bout, facteur de conversion et perte permettent d avoir un faisceau de 532 nm approchant les 2 Watts utilisables correspondant à la machine Cerion. Une note sur les pointer laser rouge, bien moins chère que les vert qui nécessite donc 2 cristaux: il existe des semi conducteurs qui produisent directement une longueur d onde de 650 nm (et autre) donc dans le rouge. Il suffit d augmenter la puissance de ces diodes laser pour avoir plus de puissance. En revanche il n existe pas de diode laser «verte» ou «bleu» mais il en existe des violettes (405 nm) à 300 mw. Dans le même principe, on peut produire du bleu (473 nm) avec une pompe à 808 nm, un cristal de Nd :Yag qui va produire, en plus de la longueur d onde à 1064 nm, d autre longueur d onde comme le 946 nm, puis un cristal doubleur de fréquence (Bibo ou LBO) qui convertit à 473 nm. Mais le rendement est encore plus faible, on a calculé 10 % pour du (20W 808=>2W 532) 532 nm, cela tombe à 5% pour du 473 nm, cela reste encore à l état de recherche mais il existe quelque modèle portatif sur le marché.