Principes fondamentaux des lasers

Qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est un type d'onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde et elles comprennent, dans l'ordre décroissant de longueur d'onde : les ondes radio, les rayons infrarouges, les rayons visibles, les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

Qu'est-ce que la couleur ?

Lorsqu'une lumière de longueurs d'onde données frappe un objet, les longueurs d'onde réfléchies par celui-ci sans être absorbées sont reçues par la rétine. C'est ce phénomène qui permet à l'œil d'identifier ces longueurs d'onde comme la « couleur » de l'objet. L'indice de réfraction varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui décompose la lumière et nous permet d'identifier toute une palette de « couleurs ». Par exemple, une pomme perçue comme rouge par l'œil humain quand elle est éclairée par la lumière du jour réfléchit les longueurs d'onde correspondant au rouge (600 à 700 nm) et absorbe toutes les autres. *Les objets noirs absorbent la totalité de la lumière, ce qui explique leur aspect noir.

Qu'est-ce que la lumière visible ?

Les ondes électromagnétiques dans le domaine des longueurs d'onde visibles par l'œil humain correspondent à ce que l'on appelle la « lumière visible ». La lumière visible varie de 360-400 nm, du côté des longueurs d'onde courtes, jusqu'à 760-830 nm, du côté des longueurs d'onde longues. Les longueurs d'onde plus courtes ou plus longues que la lumière visible ne sont pas perçues par l'œil humain.

Qu'est-ce que la lumière visible ?

Différences entre la lumière ordinaire et les faisceaux laser

Les lasers se différencient de la lumière ordinaire (lampe, etc.) en ce qu’ils émettent des faisceaux lumineux avec une directivité élevée, en d'autres termes, les ondes composant la lumière se déplacent ensemble en ligne droite, avec une dispersion quasi nulle. Les sources lumineuses classiques émettent des ondes lumineuses dans toutes les directions. Les ondes lumineuses d'un faisceau laser sont toutes de même couleur (une propriété appelée monochromaticité). La lumière ordinaire, émise par exemple par les ampoules à fluorescence, contient généralement plusieurs couleurs qui, mélangées, donnent une lumière blanche.
Lorsque les ondes lumineuses d'un laser se déplacent, elles oscillent selon un synchronisme parfait entre les crêtes et les creux, une caractéristique appelée « cohérence ». Lors de la superposition de deux faisceaux laser, les crêtes et les creux se renforcent mutuellement pour générer un schéma d'interférence.

  Lumière ordinaire Lumière laser
Directivité
(Rectitude)
AmpouleAmpoule LaserLaser
Monochromaticité Longueurs d’onde non uniformesLongueurs d’onde non uniformes Longueurs d’onde uniformesLongueurs d’onde uniformes
Cohérence Phases non uniformesPhases non uniformes Les crêtes et les creux sont alignés.Les crêtes et les creux sont alignés.

Étymologie du terme laser

Le terme « laser » est un acronyme signifiant « light amplification by stimulated emission of radiation. » (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement).

Principes fondamentaux des lasers

Lorsque des atomes (molécules) absorbent de l'énergie extérieure, ils passent d'un niveau d’énergie bas à un niveau d’énergie plus élevé, appelé « état excité ».
L'état excité est instable : les atomes tentent immédiatement de revenir à un état de plus faible énergie, phénomène nommé « transition ».
Lorsqu'une transition se produit, une lumière correspondant à la différence d'énergie est émise. Ce phénomène est appelé émission naturelle. La lumière émise entre en collision avec d'autres atomes également excités, ce qui induit de nouveau des transitions. La lumière correspondant aux transitions induites est appelée « émission stimulée ».

Principes fondamentaux des lasers

Types de laser

Les lasers peuvent être divisés en 3 grandes catégories : à solide, à gaz, à liquide.

Le type de laser optimal diffère selon l’application de traitement visée.

À solide

Nd: YAG
YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium)

Longueur d’onde standard (1064 nm)

  • Applications de marquage générales

Seconde harmonique (532 nm) (laser vert)

  • Marquage léger sur des wafers en silicium, etc.
    Utilisée pour les marquages et traitements précis

Troisième harmonique (355 nm) (laser UV)

  • Utilisée pour les traitements ultra-précis, tels que le marquage sur écran LCD, les réparations et le perçage de trous d’interconnexion
    Traitement de réparation d’un écran à cristaux liquides : découpe du motif de revêtement lors de la réparation
    Perçage de trous d’interconnexion : perçage de trous sur une carte de circuit imprimé
Laser YAG (Nd: YAG)
Les lasers YAG sont utilisés dans le cadre d’applications de marquage et de traitement générales, telles que le marquage et le rognage des plastiques mais aussi des métaux. Émettant une lumière dans le proche infrarouge (1064 nm), ces lasers sont invisibles pour l'œil humain.
Le YAG est un solide cristallin constitué de grenat (G), d’yttrium (Y) et d’aluminium (A). Par dopage à l’ion néodyme (Nd), le cristal YAG entre dans un état excité à l’absorption de la lumière émise via une lampe ou une diode laser.
Nd: YVO4 (1064 nm)
YVO 4 (vanadate d'yttrium)
  • Marquage de petits caractères
    Forte puissance crête à fréquences de déclenchement élevées
    Bon rendement de conversion d’énergie
Laser YVO4 (Nd: YVO4)
Les lasers YVO4 sont généralement utilisés dans le cadre d’applications de précision, telles que le marquage de petits caractères et autres traitements. Émettant une lumière de longueur d’onde similaire à celle des lasers YAG (1064 nm), les lasers YVO4 sont invisibles pour l'œil humain.
Les lasers YVO4 sont des lasers à solide dotés d’une structure cristalline constituée de vanadate d’yttrium (YVO4). Lorsque le solide est dopé par un ion néodyme (Nd), il entre dans un état excité par application de lumière à son extrémité via une diode.
Yb : Fibré (1090 nm)
Yb (Ytterbium)
  • Marquage à forte puissance
    Milieu amplificateur à surface extrêmement large pour une forte puissance d’émission
    Miniaturisation possible grâce à des mécanismes de refroidissement simplifiés à haute efficacité
LD (650 à 905 nm)
  • Laser à semi-conducteur (GaAs, GaAIAs, GaInAs)

À gaz

CO2 (10,6 μm)
  • Machines d’usinage, applications de marquage, ablation au laser
Laser CO2
Les lasers CO2 sont généralement utilisés sur les machines d’usinage et pour des applications de marquage.
Émettant une lumière infrarouge (10,6 μm), ces lasers sont invisibles pour l'œil humain. Les lasers CO2 sont composés d’un tube d’oscillation totalement fermé contenant non seulement du CO2 mais également une quantité donnée de N2 (azote) et de He (hélium).
Cette caractéristique confère aux lasers CO2 le surnom de lasers « fermés ». L’azote (N2) a pour effet d’augmenter le niveau d’énergie du CO2, tandis que l’hélium (He) assure une diminution constante du niveau d’énergie à un état plus stable.
He-Ne standard (630 nm)
  • Systèmes de mesure (profilomètre, etc.)
    Il s’agit du type de laser le plus populaire.
    Offrant une faible puissance d’émission, ces lasers sont généralement utilisés pour la mesure de profil, etc.
Excimère (193 nm)
  • Équipement d’exposition à semi-conducteur, chirurgies oculaires
    Les lasers à excimère génèrent de la lumière à partir d’une structure relativement simple mélangeant gaz inerte et gaz halogène.
    Émettant dans l’ultraviolet profond (DUV), ces lasers offrent un taux d’absorption particulièrement élevé.
    (Ils sont utilisés dans les chirurgies oculaires afin de réaliser des corrections par vaporisation du cristallin pour permettre la focalisation sur la rétine.)
Argon (488 à 514 nm)

  • Applications scientifiques
    Disponibles en une variété de couleurs, les lasers argon sont principalement utilisés dans les laboratoires, spécialisés en biotechnologie par exemple.

À liquide

Colorant (330 à 1300 nm)
  • Applications scientifiques
    La lumière laser est utilisée pour exciter le colorant afin de produire une lumière fluorescente.

Caractéristiques des longueurs d’onde

Marqueur laser CO2
Longueur d’onde 10 600 nm :
Généralement utilisée pour le marquage du papier, du plastique, du verre et de la céramique.
Cette longueur d’onde est également absorbée par les cibles transparentes, permettant le marquage de films et autres objets.
La forte puissance d’émission à cette longueur d’onde facilite la découpe des sections d’attaque de produits moulés, la découpe de feuilles de PET, etc.
  • Marqueur laser YVO4
  • Marqueur laser YAG
  • Marqueur laser fibré
Longueur d’onde 1064 nm (Fibré : 1090 nm) :
(longueur d'onde standard)
Généralement utilisée pour le marquage du métal, du plastique et de la céramique.
Cette longueur d’onde assure une bonne coloration des plastiques, pour un marquage haute visibilité.
Les lasers YVO4, YAG et fibrés présentent des caractéristiques différentes, bien qu’ils émettent à la même longueur d’onde, en raison de leurs milieux et méthodes d’oscillation propres. Chaque laser convient à des applications différentes en fonction de la cible et de l’objectif. Les lasers YVO4 offrent une forte puissance crête et une courte largeur d’impulsion, permettant un marquage et un traitement précis et de haute qualité. Exploitant la chaleur issue d’une grande largeur d’impulsion, les lasers fibrés sont optimaux pour le marquage recuit noir et le marquage profond de métaux. Enfin, malgré une qualité de traitement inférieure, les lasers YAG sont idéaux pour les applications de soudage et autres, requérant une grande quantité de chaleur.
Marqueur laser vert
Longueur d’onde 532 nm :
(longueur d’onde SHG)
En règle générale, plus la longueur d'onde du laser est courte, plus l'énergie générée est forte et plus le taux d'absorption par le matériau est élevé.
Alors que la lumière laser YAG et YVO4 n’est pas efficacement absorbée, la lumière laser verte convient parfaitement aux matériaux difficiles à marquer.
Marqueur laser UV
Longueur d’onde 355 nm :
(longueur d’onde THG)
La longueur d’onde du laser UV, située dans le domaine de l’UV, est encore plus courte que celle d’un laser SHG.
Le laser UV se distingue par son taux d’absorption élevé sur tout matériau, garantissant une contrainte thermique minime. Le risque d’endommagement du produit est ainsi réduit et un marquage à fort contraste est assuré.

Principes de l’oscillation laser

Cette section présente les principes conduisant à la génération de lumière laser.

1. Excitation

Les électrons des atomes absorbent la lumière fournie par une source extérieure, passant de leur état fondamental (niveau d’énergie bas) à un état excité (niveau d’énergie élevé). Plus le niveau d’énergie augmente, plus les électrons s’éloignent de leur orbite normale. Cette augmentation du niveau d’énergie est appelée « excitation ».

État de l’atome
Atome dans son état fondamental
Atome dans son état fondamental
Atome dans un état excité
Atome dans un état excité
État de l’électron
État de l’électron

2. Émission naturelle

Les niveaux d’énergie des électrons dans un état excité varient en fonction de la quantité d’énergie absorbée. Les électrons à niveau d’énergie augmenté tendent à se stabiliser après une période de relaxation durant laquelle l’énergie absorbée est libérée dans une tentative de retour à un état de faible énergie. Cette énergie est alors libérée sous forme de lumière. Ce phénomène est appelé émission naturelle.

État de l’atome
État de l’atome
État de l’électron
État de l’électron

3. Émission stimulée

Comme illustré sur les figures ci-dessous, lorsque la lumière traverse un électron avec le même niveau d’énergie, des photons (lumière) supplémentaires de mêmes niveau d’énergie, phase et direction sont créés. Lors de l’émission stimulée, pour chaque photon traversant un électron, deux photons sont émis. Ce phénomène est appelé émission stimulée.
La lumière (photons) issue de l’émission stimulée étant de mêmes niveau d’énergie, phase et direction que la lumière incidente, la stimulation et la libération d’une grande quantité de lumière permet de créer un faisceau puissant doté des trois caractéristiques décrites ci-après. La lumière laser est générée en exploitant l’émission stimulée pour amplifier la lumière incidente. De ce fait, la lumière laser est monochromatique (car les niveaux d’énergie sont les mêmes), cohérente (car les phases sont alignées) et à haute directivité (car le déplacement s’effectue en ligne droite).

État de l’atome
État de l’atome
État de l’électron
État de l’électron

4. Inversion de population

Afin que l’émission stimulée génère l’oscillation laser, la densité des électrons à haut niveau d’énergie doit être considérablement supérieure à celle des électrons à bas niveau d’énergie. Ce phénomène est appelé inversion de population. La supériorité du nombre de photons émis par rapport au nombre de photons absorbés assure la génération d’une lumière laser de forte puissance.

Inversion de la population d’électrons
Inversion de la population d’électrons
  • = Beaucoup d’électrons à haut niveau d’énergie
  • = Peu d’électrons à bas niveau d’énergie

5. Oscillation laser

Lorsqu’un électron émet de la lumière par émission naturelle lors de l’inversion de population, cette lumière initie une émission stimulée via un autre électron. Chaque électron stimulant à son tour ses voisins, le nombre de photons ne cesse d’augmenter, générant une lumière de forte puissance. Ce phénomène est appelé oscillation laser.

Inversion de la population d’électrons
Inversion de la population d’électrons
A : Émission naturelle B : Émission stimulée

Structure des tubes d’oscillation laser

Trois éléments

Les tubes d’oscillation laser sont composés des trois éléments suivants.

  1. Milieu laser
  2. Source d'excitation
  3. Amplificateur
Trois éléments
  1. Milieu laser
  2. Source d'excitation
  3. Amplificateur
Trois éléments

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