Pompage laser

Le pompage laser est l'acte de transfert d'énergie d'une source externe vers le milieu amplificateur d'un laser . L'énergie est absorbée dans le milieu, produisant des états excités dans ses atomes. Lorsque pendant une période de temps le nombre de particules dans un état excité dépasse le nombre de particules dans l' état fondamental ou dans un état moins excité, une inversion de population se produit. Dans ces conditions, le mécanisme d' émission stimulée peut avoir lieu et le milieu peut agir comme un laser ou un amplificateur optique . La puissance de pompage doit être supérieure au seuil d'effet laser du laser.

L'énergie de pompage est généralement fournie sous forme de lumière ou de courant électrique , mais des sources plus exotiques ont été utilisées, telles que des réactions chimiques ou nucléaires .

Un laser pompé avec une lampe à arc ou une lampe flash est généralement pompé à travers la paroi latérale du milieu laser, qui se présente souvent sous la forme d'une tige de cristal contenant une impureté métallique ou d'un tube de verre contenant un colorant liquide, dans une condition connue sous le nom de « pompage latéral ». Pour utiliser l'énergie de la lampe de la manière la plus efficace, les lampes et le milieu laser sont contenus dans une cavité réfléchissante qui redirigera la majeure partie de l'énergie de la lampe vers la tige ou la cellule à colorant.

Dans la configuration la plus courante, le milieu de gain se présente sous la forme d'une tige située à l'un des foyers d'une cavité miroir, constituée d'une section transversale elliptique perpendiculaire à l'axe de la tige. La lampe flash est un tube situé à l'autre foyer de l'ellipse. Souvent, le revêtement du miroir est choisi pour réfléchir les longueurs d'onde plus courtes que la sortie laser tout en absorbant ou en transmettant les longueurs d'onde identiques ou plus longues, afin de minimiser l'effet de lentille thermique . Dans d'autres cas, un absorbeur pour les longueurs d'onde plus longues est utilisé. Souvent, la lampe est entourée d'une gaine cylindrique appelée tube d'écoulement. Ce tube d'écoulement est généralement constitué d'un verre qui absorbera les longueurs d'onde inappropriées, telles que les ultraviolets, ou fournira un chemin pour l'eau de refroidissement qui absorbe les infrarouges. Souvent, la gaine est dotée d'un revêtement diélectrique qui réfléchit les longueurs d'onde de lumière inappropriées dans la lampe. Cette lumière est absorbée et une partie est réémise à des longueurs d'onde appropriées. Le tube d'écoulement sert également à protéger la tige en cas de panne violente de la lampe.

Les ellipses plus petites créent moins de réflexions (une condition appelée « couplage étroit »), ce qui donne une intensité plus élevée au centre de la tige. Pour une seule lampe flash, si la lampe et la tige ont le même diamètre, une ellipse deux fois plus large que haute est généralement la plus efficace pour imager la lumière dans la tige. La tige et la lampe sont relativement longues pour minimiser l'effet des pertes aux extrémités et pour fournir une longueur suffisante de milieu de gain. Les lampes flash plus longues sont également plus efficaces pour transférer l'énergie électrique en lumière, en raison d' une impédance plus élevée . Cependant, si la tige est trop longue par rapport à son diamètre, une condition appelée « prélasing » peut se produire, épuisant l'énergie de la tige avant qu'elle ne puisse s'accumuler correctement. Les extrémités des tiges sont souvent recouvertes d'un revêtement antireflet ou coupées à l'angle de Brewster pour minimiser cet effet. Des miroirs plats sont également souvent utilisés aux extrémités de la cavité de la pompe pour réduire les pertes.

Des variantes de cette conception utilisent des miroirs plus complexes composés de formes elliptiques superposées, pour permettre à plusieurs lampes flash de pomper une seule tige. Cela permet une plus grande puissance, mais est moins efficace car toute la lumière n'est pas correctement transmise à la tige, ce qui entraîne des pertes thermiques accrues. Ces pertes peuvent être minimisées en utilisant une cavité à couplage étroit. Cette approche peut toutefois permettre un pompage plus symétrique, augmentant ainsi la qualité du faisceau.

Une autre configuration utilise une tige et une lampe flash dans une cavité constituée d'un matériau réfléchissant diffus , tel que le spectralon ou le sulfate de baryum en poudre . Ces cavités sont souvent circulaires ou oblongues, car la focalisation de la lumière n'est pas un objectif principal. Cela ne couple pas aussi bien la lumière dans le milieu laser, car la lumière fait de nombreuses réflexions avant d'atteindre la tige, mais nécessite souvent moins d'entretien que les réflecteurs métallisés. Le nombre accru de réflexions est compensé par la réflectivité plus élevée du milieu diffus : 99 % contre 97 % pour un miroir en or. Cette approche est plus compatible avec des tiges non polies ou des lampes multiples.

Les modes parasites se produisent lorsque des réflexions sont générées dans des directions autres que le long de la tige, ce qui peut utiliser l'énergie qui serait autrement disponible pour le faisceau. Cela peut être un problème particulier si le corps de la tige est poli. Les tiges laser cylindriques prennent en charge les modes de galerie chuchotée en raison de la réflexion interne totale entre la tige et l'eau de refroidissement, qui se réfléchit en continu autour de la circonférence de la tige. Les modes de conduit de lumière peuvent se refléter sur toute la longueur de la tige selon un chemin en zigzag. Si la tige a un revêtement antireflet ou est immergée dans un fluide qui correspond à son indice de réfraction , elle peut réduire considérablement ces réflexions parasites. De même, si le corps de la tige est rugueux (givré) ou rainuré, les réflexions internes peuvent être dispersées.

Le pompage avec une seule lampe a tendance à concentrer la majeure partie de l'énergie d'un côté, ce qui aggrave le profil du faisceau. Il est courant que les tiges aient un corps givré, pour diffuser la lumière, offrant une distribution plus uniforme de la lumière dans toute la tige. Cela permet une plus grande absorption d'énergie dans tout le milieu de gain pour un meilleur mode transversal . Un tube d'écoulement givré ou un réflecteur diffus, tout en conduisant à une efficacité de transfert réduite, contribue à augmenter cet effet, améliorant ainsi le gain .

Les matériaux hôtes du laser sont choisis pour avoir une faible absorption ; seul le dopant absorbe. Par conséquent, toute lumière à des fréquences non absorbées par le dopage retournera dans la lampe et réchauffera le plasma, ce qui réduira la durée de vie de la lampe.

Les lampes flash ont été la première source d'énergie pour les lasers. Elles sont utilisées pour les énergies pulsées élevées dans les lasers à l'état solide et à colorant. Elles produisent un large spectre de lumière, ce qui fait que la majeure partie de l'énergie est gaspillée sous forme de chaleur dans le milieu de gain. Les lampes flash ont également tendance à avoir une durée de vie courte. Le premier laser était constitué d'une lampe flash hélicoïdale entourant une tige de rubis.

Les lampes flash à quartz sont le type le plus courant utilisé dans les lasers et, à de faibles énergies ou à des taux de répétition élevés, peuvent fonctionner à des températures aussi élevées que 900 °C. Des puissances moyennes ou des taux de répétition plus élevés nécessitent un refroidissement par eau. L'eau doit généralement traverser non seulement la longueur de l'arc de la lampe, mais également la partie électrode du verre. Les lampes flash refroidies par eau sont généralement fabriquées avec le verre rétréci autour de l'électrode pour permettre le refroidissement direct du tungstène . Si l'électrode est autorisée à chauffer beaucoup plus que le verre, la dilatation thermique peut fissurer le joint.

La durée de vie de la lampe dépend principalement du régime énergétique utilisé pour la lampe en question. Les basses énergies donnent lieu à des projections , qui peuvent retirer du matériau de la cathode et le redéposer sur le verre, créant ainsi un aspect sombre et miroitant. L'espérance de vie à basse énergie peut être assez imprévisible. Les hautes énergies provoquent une ablation des parois , qui non seulement donne au verre un aspect trouble, mais l'affaiblit également structurellement et libère de l'oxygène , affectant la pression, mais à ces niveaux d'énergie, l'espérance de vie peut être calculée avec une assez grande précision.

La durée d'impulsion peut également affecter la durée de vie. Des impulsions très longues peuvent arracher de grandes quantités de matière de la cathode, la déposant sur les parois. Avec des durées d'impulsion très courtes, il faut veiller à ce que l'arc soit centré dans la lampe, loin du verre, pour éviter une ablation grave des parois. Le déclenchement externe n'est généralement pas recommandé pour les impulsions courtes. Le déclenchement par tension de simmer est généralement utilisé pour les décharges extrêmement rapides, comme celles utilisées dans les lasers à colorant, et combine souvent cela avec une « technique de pré-impulsion », où un petit flash est initié quelques millisecondes avant le flash principal, pour préchauffer le gaz pour un temps de montée plus rapide .

Les lasers à colorant utilisent parfois un « pompage axial », qui consiste en une lampe flash creuse de forme annulaire, dont l'enveloppe extérieure est en miroir pour renvoyer la lumière appropriée vers le centre. La cellule à colorant est placée au milieu, ce qui permet une distribution plus uniforme de la lumière de pompage et un transfert d'énergie plus efficace. La lampe flash creuse a également une inductance plus faible qu'une lampe flash normale, ce qui permet une décharge flash plus courte. Rarement, une conception « coaxiale » est utilisée pour les lasers à colorant, qui consiste en une lampe flash normale entourée d'une cellule à colorant de forme annulaire. Cela permet une meilleure efficacité de transfert, éliminant le besoin d'un réflecteur, mais les pertes par diffraction entraînent un gain plus faible.

Le spectre de sortie d'une lampe flash est principalement le produit de sa densité de courant . Après avoir déterminé « l'énergie d'explosion » pour la durée de l'impulsion (la quantité d'énergie qui la détruira en un à dix flashs) et choisi un niveau d'énergie sûr pour le fonctionnement, l'équilibre entre tension et capacité peut être ajusté pour centrer la sortie n'importe où, du proche infrarouge à l'ultraviolet lointain. Les faibles densités de courant résultent de l'utilisation d'une tension très élevée et d'un faible courant. Cela produit des lignes spectrales élargies avec la sortie centrée dans le proche infrarouge, et est le meilleur pour le pompage des lasers infrarouges tels que Nd:YAG et erbium:YAG . Des densités de courant plus élevées élargissent les lignes spectrales au point où elles commencent à se mélanger, et une émission continue est produite. Les longueurs d'onde plus longues atteignent des niveaux de saturation à des densités de courant plus faibles que les longueurs d'onde plus courtes, de sorte que lorsque le courant augmente, le centre de sortie se déplace vers le spectre visuel, ce qui est meilleur pour le pompage des lasers à lumière visible, tels que le rubis . À ce stade, le gaz devient presque un « radiateur à corps gris » idéal. Des densités de courant encore plus élevées produiront un rayonnement de corps noir , centrant la sortie dans l'ultraviolet.

Le xénon est largement utilisé en raison de son bon rendement, bien que le krypton soit souvent utilisé pour pomper des tiges laser dopées au néodyme . En effet, les lignes spectrales dans la gamme proche de l'IR correspondent mieux aux lignes d'absorption du néodyme, ce qui confère au krypton une meilleure efficacité de transfert même si sa puissance de sortie globale est plus faible. Ceci est particulièrement efficace avec le Nd:YAG, qui a un profil d'absorption étroit. Pompés avec du krypton, ces lasers peuvent atteindre jusqu'à deux fois la puissance de sortie obtenue avec du xénon. L'émission de lignes spectrales est généralement choisie lors du pompage du Nd:YAG avec du krypton, mais comme toutes les lignes spectrales du xénon manquent les bandes d'absorption du Nd:YAG, lors du pompage avec du xénon, l'émission continue est utilisée.

Les lampes à arc sont utilisées pour pomper des tiges pouvant supporter un fonctionnement continu et peuvent être de n'importe quelle taille et puissance. Les lampes à arc typiques fonctionnent à une tension suffisamment élevée pour maintenir le niveau de courant pour lequel la lampe a été conçue. Ce niveau se situe souvent dans la plage de 10 à 50 ampères. En raison de leurs pressions très élevées, les lampes à arc nécessitent un circuit spécialement conçu pour le démarrage ou « l'amorçage » de l'arc. L'amorçage se produit généralement en trois phases. Dans la phase de déclenchement, une impulsion de tension extrêmement élevée provenant du transformateur de « déclenchement en série » crée un flux d'étincelles entre les électrodes, mais l'impédance est trop élevée pour que la tension principale prenne le relais. Une phase de « surtension » est alors initiée, où une tension supérieure à la chute de tension entre les électrodes est transmise à travers la lampe, jusqu'à ce que le gaz soit chauffé à un état de plasma . Lorsque l'impédance devient suffisamment faible, la phase de « contrôle du courant » prend le relais, où la tension principale commence à conduire le courant à un niveau stable.

Le pompage par lampe à arc se déroule dans une cavité similaire à celle d'un laser pompé par lampe flash, avec une tige et une ou plusieurs lampes dans une cavité réflectrice. La forme exacte de la cavité dépend souvent du nombre de lampes utilisées. La principale différence réside dans le refroidissement. Les lampes à arc doivent être refroidies à l'eau, ce qui garantit que l'eau passe au-delà du verre et traverse également les connecteurs des électrodes. Cela nécessite l'utilisation d' eau déionisée avec une résistivité d'au moins 200 kilohms, pour éviter de court-circuiter le circuit et de corroder les électrodes par électrolyse . L'eau est généralement canalisée à travers un tube d'écoulement à un débit de 4 à 10 litres par minute.

Les lampes à arc sont disponibles dans presque tous les types de gaz nobles , notamment le xénon , le krypton , l'argon , le néon et l'hélium , qui émettent tous des lignes spectrales très spécifiques au gaz. Le spectre de sortie d'une lampe à arc dépend principalement du type de gaz, les lignes spectrales à bande étroite étant très similaires à celles d'une lampe flash fonctionnant à de faibles densités de courant. La sortie est la plus élevée dans le proche infrarouge et est généralement utilisée pour pomper des lasers infrarouges tels que Nd:YAG.

Un laser de type approprié peut être utilisé pour pomper un autre laser. Le spectre étroit du laser de pompage lui permet d'être étroitement adapté aux lignes d'absorption des milieux laser, ce qui lui confère un transfert d'énergie beaucoup plus efficace que l'émission à large bande des lampes flash. Les lasers à diode pompent les lasers à l'état solide et les lasers à colorant liquide . Une conception de laser en anneau est souvent utilisée, en particulier dans les lasers à colorant. Le laser en anneau utilise trois miroirs ou plus pour réfléchir la lumière dans un chemin circulaire. Cela permet d'éliminer l' onde stationnaire générée par la plupart des résonateurs Fabry-Pérot , ce qui conduit à une meilleure utilisation de l'énergie du milieu de gain.

Les micro-ondes ou les rayonnements électromagnétiques radiofréquences peuvent être utilisés pour exciter les lasers à gaz.

Un laser à pompage solaire utilise le rayonnement solaire comme source de pompage.

La décharge électrique luminescente est courante dans les lasers à gaz . Par exemple, dans le laser hélium-néon, les électrons de la décharge entrent en collision avec les atomes d' hélium , ce qui les excite. Les atomes d'hélium excités entrent ensuite en collision avec les atomes de néon , ce qui leur transfère de l'énergie. Cela permet à une population inverse d'atomes de néon de se former.

Le courant électrique est généralement utilisé pour pomper les diodes laser et les lasers à cristaux semi-conducteurs (par exemple le germanium ).

Les faisceaux d'électrons pompent les lasers à électrons libres et certains lasers excimères .

Les lasers dynamiques à gaz sont construits en utilisant un flux supersonique de gaz, comme le dioxyde de carbone , pour exciter les molécules au-delà du seuil. Le gaz est pressurisé puis chauffé jusqu'à 1400 kelvins . Le gaz est ensuite autorisé à se dilater rapidement à travers des buses de forme spéciale jusqu'à une très basse pression. Cette dilatation se produit à des vitesses supersoniques, parfois aussi élevées que Mach 4. Le gaz chaud contient de nombreuses molécules dans les états excités supérieurs, tandis que beaucoup plus se trouvent dans les états inférieurs. La dilatation rapide provoque un refroidissement adiabatique , qui réduit la température jusqu'à 300 K. Cette réduction de température amène les molécules des états supérieur et inférieur à relâcher leur équilibre à une valeur plus appropriée pour la température inférieure. Cependant, les molécules des états inférieurs se détendent très rapidement, tandis que les molécules de l'état supérieur mettent beaucoup plus de temps à se détendre. Comme une bonne quantité de molécules reste dans l'état supérieur, une inversion de population est créée, qui s'étend souvent assez loin en aval. Des sorties d'ondes continues allant jusqu'à 100 kilowatts ont été obtenues à partir de lasers dynamiques au dioxyde de carbone.

Des méthodes similaires d'expansion supersonique sont utilisées pour refroidir de manière adiabatique les lasers au monoxyde de carbone , qui sont ensuite pompés par réaction chimique, par pompage électrique ou par pompage radiofréquence . Le refroidissement adiabatique remplace le refroidissement cryogénique volumineux et coûteux par de l'azote liquide, augmentant ainsi l'efficacité du laser au monoxyde de carbone. Les lasers de ce type ont pu produire des puissances allant jusqu'à un gigawatt, avec des rendements allant jusqu'à 60 %.

L'auto-canalisation par déplacement de charge peut donner lieu à une concentration d'énergie élevée le long d'une colonne créée et maintenue par l' expulsion pondéromotrice d'électrons. Le canal va également canaliser un rayonnement secondaire de longueur d'onde plus courte et finalement un laser de longueur d'onde extrêmement courte.

La réaction chimique est utilisée comme source d'énergie dans les lasers chimiques . Cela permet d'obtenir des puissances de sortie très élevées, difficiles à atteindre par d'autres moyens.

La fission nucléaire est utilisée dans les lasers à pompage nucléaire exotiques (NPL), utilisant directement l'énergie des neutrons rapides libérés dans un réacteur nucléaire .

L'armée américaine a testé un laser à rayons X pompé par une arme nucléaire dans les années 1980, mais les résultats du test n'ont pas été concluants et il n'a pas été répété.