LASER

Laser Nd :YAG

Définition du laser Nd:YAG

Le laser Nd:YAG (Neodymium-dopedYttrium Aluminum Garnet) est un laser solide dans lequel le Nd:YAG est utilisé comme milieu laser.

Ces lasers ont de nombreuses applications différentes dans le domaine médical et scientifique pour des processus tels que la chirurgie Lasik et la spectroscopie laser.

Le laser Nd : YAG est un système laser à quatre niveaux, ce qui signifie que les quatre niveaux d’énergie sont impliqués dans l’action du laser. Ces lasers fonctionnent à la fois en mode pulsé et en mode continu.

Le laser Nd : YAG génère une lumière laser couramment dans la région du spectre proche de l’infrarouge à 1064 nanomètres (nm). Il émet également une lumière laser à plusieurs longueurs d’onde différentes, notamment 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm et 940 nm.

Construction du laser Nd : YAG

Le laser Nd : YAG est constitué de trois éléments importants : une source d’énergie, un milieu actif et un résonateur optique.

Source d’énergie

La source d’énergie ou source de pompage fournit de l’énergie au milieu actif pour réaliser une inversion de population. Dans le laser Nd : YAG, les sources d’énergie lumineuse telles que le tube flash ou les diodes laser sont utilisées comme source d’énergie pour fournir de l’énergie au milieu actif.

Dans le passé, les flashtubes sont principalement utilisés comme source de pompe en raison de son faible coût. Cependant, de nos jours, les diodes laser sont préférées aux flashtubes en raison de leur haute efficacité et de leur faible coût.

Milieu actif

Le milieu actif ou milieu laser du laser Nd:YAG est constitué d’un matériau cristallin synthétique (Yttrium Aluminum Garnet (YAG)) dopé par un élément chimique (néodyme (Nd)). Les électrons à l’état d’énergie inférieur des ions néodyme sont excités à l’état d’énergie supérieur pour fournir une action laser dans le milieu actif.

Résonateur optique

Le cristal Nd:YAG est placé entre deux miroirs. Ces deux miroirs sont revêtus optiquement ou argentés.

Chaque miroir est argenté ou revêtu différemment. Un miroir est entièrement argenté tandis que, un autre miroir est partiellement argenté. Le miroir, qui est entièrement argenté, reflètera complètement la lumière et est connu comme un miroir entièrement réfléchissant.

D’autre part, le miroir qui est partiellement argenté va réfléchir la plus grande partie de la lumière mais laisse une petite partie de la lumière le traverser pour produire le faisceau laser. Ce miroir est connu comme un miroir partiellement réfléchissant.

Fonctionnement du laser Nd:YAG

Le laser Nd : YAG est un système laser à quatre niveaux, ce qui signifie que les quatre niveaux d’énergie sont impliqués dans l’action du laser. Les sources d’énergie lumineuse telles que les tubes flash ou les diodes laser sont utilisées pour fournir de l’énergie au milieu actif.

Dans le laser Nd:YAG, les électrons de l’état d’énergie inférieur des ions néodyme sont excités vers l’état d’énergie supérieur pour réaliser une inversion de population.

Considérons un milieu actif de cristal Nd:YAG composé de quatre niveaux d’énergie E1, E2, E3 et E4 avec un nombre N d’électrons. Le nombre d’électrons dans les états d’énergie E1, E2, E3, et E4 sera de N1, N2, N3, et N4.

Supposons que les niveaux d’énergie seront E1 <E2 <E3 <E4. Le niveau d’énergie E1 est appelé état fondamental, E2 est l’état d’énergie immédiatement supérieur ou état excité, E3 est l’état métastable ou état excité et E4 est l’état de pompe ou état excité. Supposons qu’initialement, la population sera N1 > N2 > N3 > N4.

Lorsque le tube à rayons X ou la diode laser fournit de l’énergie lumineuse au milieu actif (cristal Nd:YAG), les électrons de l’état d’énergie inférieur (E1) dans les ions néodyme gagnent suffisamment d’énergie et passent à l’état de pompe ou état d’énergie supérieur E4.

La durée de vie de l’état de pompe ou de l’état d’énergie supérieure E4 est très petite (230 microsecondes (µs)), donc les électrons dans l’état d’énergie E4 ne restent pas pendant une longue période. Après une courte période, les électrons tomberont dans l’état d’énergie inférieur suivant ou l’état métastable E3 en libérant de l’énergie non rayonnante (libérer de l’énergie sans émettre de photons).

La durée de vie de l’état métastable E3 est élevée par rapport à la durée de vie de l’état de pompe E4. Par conséquent, les électrons atteignent E3 beaucoup plus rapidement qu’ils ne quittent E3. Il en résulte une augmentation du nombre d’électrons dans l’état métastable E3 et donc une inversion de population est réalisée.

Après une certaine période, les électrons dans l’état métastable E3 vont tomber dans l’état d’énergie inférieur suivant E2 en libérant des photons ou de la lumière. L’émission de photons de cette manière est appelée émission spontanée.

La durée de vie de l’état d’énergie E2 est très petite tout comme l’état d’énergie E4. Par conséquent, après une courte période, les électrons dans l’état d’énergie E2 retomberont à l’état fondamental E1 en libérant de l’énergie sans rayonnement.

Lorsque le photon émis en raison de l’émission spontanée est en interaction avec l’autre électron de l’état métastable, il stimule cet électron et le fait tomber dans l’état d’énergie inférieur en libérant le photon. Par conséquent, deux photons sont libérés. L’émission de photons de cette manière est appelée émission stimulée de rayonnement.

Lorsque ces deux photons interagissent à nouveau avec les électrons d’état métastable, quatre photons sont libérés. De même, des millions de photons sont émis. Ainsi, on obtient un gain optique.

L’émission spontanée est un processus naturel mais l’émission stimulée n’est pas un processus naturel. Pour réaliser une émission stimulée, nous devons fournir des photons ou de la lumière externe au milieu actif.

Le milieu actif Nd:YAG génère des photons ou de la lumière en raison de l’émission spontanée. La lumière ou les photons générés dans le milieu actif vont rebondir entre les deux miroirs. Cela stimule d’autres électrons pour qu’ils passent à l’état d’énergie inférieur en libérant des photons ou de la lumière. De même, des millions d’électrons sont stimulés pour émettre des photons.

La lumière générée dans le milieu actif est réfléchie plusieurs fois entre les miroirs avant de s’échapper par le miroir partiellement réfléchissant.

Avantages du laser Nd:YAG

• Faible consommation électrique
• Le laser Nd:YAG offre un gain élevé.
• Le laser Nd:YAG a de bonnes propriétés thermiques.
• Le laser Nd:YAG présente de bonnes propriétés mécaniques.
• Le rendement du laser Nd:YAG est très élevé par rapport au laser à rubis.

Applicationsdu laser Nd:YAG

Militaire

Les lasers Nd:YAG sont utilisés dans les désignateurs laser et les télémètres laser. Un désignateur laser est une source de lumière laser, qui est utilisée pour cibler des objets à attaquer. Un télémètre laser est un télémètre, qui utilise une lumière laser pour déterminer la distance d’un objet.

Médecine

Les lasers Nd : YAG sont utilisés pour corriger l’opacification capsulaire postérieure (une condition qui peut se produire après une chirurgie de la cataracte).

Les lasers Nd:YAG sont utilisés pour éliminer les cancers de la peau.

Fabrication

Les lasers Nd:YAG sont utilisés pour graver ou marquer une variété de plastiques et de métaux.

Les lasers Nd:YAG sont utilisés pour couper et souder l’acier.