Types de lasers communs

Cette présentation correspond à la Section 3.1 du Guide de Ressources en Optique Laser.

Les lasers sont souvent classés selon le milieu de gain utilisé pour amplifier la lumière. Les types de milieux de gain communs sont le gaz, le semi-conducteur (diode) et l’état solide. Les paramètres clés des systèmes laser peuvent être trouvés dans notre note d’application Paramètres clés d'un système laser.

Aperçu des lasers industriels courants

La Figure 1 présente 23 des lasers les plus courants ainsi que leurs longueurs d'onde, leurs modes de fonctionnement et leurs milieux de gain typiques.

Figure 1 : Lasers commerciaux courants avec modes de fonctionnement et milieux de gain typiques, où CW signifie « continuous wave » (onde continue). ^2,3

Les lasers à gaz, tels que les lasers hélium-néon (HeNe), sont souvent utilisés pour des applications de métrologie en raison de la qualité élevée de leur faisceau et de leur grande longueur de cohérence. D’autres types de lasers à gaz, tels que les lasers à dioxyde de carbone (CO₂), sont fréquemment utilisés pour l’usinage de matériaux car ils peuvent atteindre des puissances moyennes exceptionnellement élevées.

Les lasers à diode contiennent une jonction p-n à semi-conducteur comme milieu de gain. Ils ont tendance à avoir le rapport puissance/coût le plus élevé et bénéficient d’une grande efficacité de conversion de puissance, d’un rendement quantique élevé et d’une large gamme de longueurs d’onde disponibles. Les lasers à diode sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment les télécommunications, l’usinage de matériaux, la lecture des codes-barres, les lasers médicaux et les systèmes LIDAR.

Les lasers à état solide utilisent des cristaux ou des matériaux en verre dopés avec des métaux de transition ou des ions de terres rares. Ils sont souvent utilisés pour des applications à haute puissance, comme le traitement des matériaux et les lasers médicaux, car ils peuvent atteindre des pics de puissances parmi les plus élevés de tous les lasers disponibles dans le commerce³. Cependant, il est plus difficile de refroidir les milieux de gain solides, ce qui limite le taux de répétition et la puissance moyenne.

Deux cas particuliers de lasers à l'état solide sont les lasers à cascade quantique (QCL) et les lasers à cascade interbande (ICL). Les QCL sont des lasers accordables, à semi-conducteurs, dans l'infrarouge moyen, qui fonctionnent grâce à des transitions inter-sousbande dans des couches alternées de fines couches de semi-conducteurs, ou « puits ». Les transitions inter-sousbande sont des excitations entre des états d'énergie quantifiés au sein de la bande de conduction (Figure 2). En raison de la taille extrêmement petite des puits, les effets quantiques interviennent et la longueur d'onde d'émission se déplace en fonction de l'épaisseur du puits. Les QCL peuvent produire une puissance élevée à de grandes longueurs d'onde grâce à la combinaison d'effets quantiques et en cascade. La plupart des QCL disponibles dans le commerce ont tendance à avoir des longueurs d'onde autour de 4-11 μm, mais les extrêmes des QCL disponibles dans le commerce ont des longueurs d'onde allant de 2,63 à 150 μm.^4,5,6

Les ICL sont similaires aux QCL dans la mesure où ils utilisent des structures semi-conductrices en couches et des puits quantiques pour l'effet laser dans l'infrarouge moyen, mais les photons sont générés par des transitions interbande plutôt qu'inter-sousbande (Figure 2). Ils sont capables de fonctionner avec des puissances d'entrée plus faibles que les QCL.

Figure 2 : Comparaison des transitions (a) interbande et (b) inter-sousbande dans un laser à cascade

Les lasers à fibre sont un type spécial de laser à état solide qui utilise une fibre optique dopée avec des ions de terres rares comme milieu de gain. Ils sont optimaux pour créer des caractéristiques très fines dans des applications d’usinage et médicales de haute précision car ils contiennent une puissance moyenne élevée dans un seul mode optique avec une qualité de faisceau élevée.

Les lasers à disque mince sont un autre type spécial de laser à état solide dans lequel le milieu de gain est un disque très mince de matériau solide. Ils représentent un compromis équilibré entre les lasers à fibre et les autres lasers à solide, car ils atteignent une puissance de crête et un gain élevés tout en utilisant une géométrie qui les rend plus faciles à refroidir, ce qui améliore leur fréquence de répétition et leur puissance moyenne. Cependant, ils nécessitent des conceptions de systèmes complexes et coûtent donc plus cher que les autres types de laser.

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Références

Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
Lasers and Their Uses Reference Wall Chart. Photonics Media, 2010
Weber, Marvin J. Handbook of laser wavelengths. CRC Press, 1999. ISBN 978-0-8495-3508-2.
Cathabard, O., Teissier, R., Devenson, J., Moreno, J.C. and Baranov, A.N., 2010. Quantum cascade lasers emitting near 2.6 μ m. Applied Physics Letters, 96(14), p.141110.
Walther, C., Fischer, M., Scalari, G., Terazzi, R., Hoyler, N. and Faist, J., 2007. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz. Applied Physics Letters, 91(13), p.131122.
Wade, A., Fedorov, G., Smirnov, D., Kumar, S., Williams, B.S., Hu, Q. et Reno, J.L., 2009. Magnetic-field-assisted terahertz quantum cascade laser operating up to 225 K. Nature Photonics, 3(1), pp.41-45.