Cavités de pompageEdit
Un laser pompé avec une lampe à arc ou une lampe flash est généralement pompé à travers la paroi latérale du milieu lasant, qui se présente souvent sous la forme d’un barreau 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 le plus efficacement possible, les lampes et le milieu à effet laser sont contenus dans une cavité réfléchissante qui redirigera la plus grande partie de l’énergie de la lampe dans la tige ou la cellule de colorant.
Dans la configuration la plus courante, le milieu de gain se présente sous la forme d’une tige située à un foyer d’une cavité miroir, constituée d’une section 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 de manière à réfléchir les longueurs d’onde plus courtes que la sortie laser tout en absorbant ou transmettant les longueurs d’onde identiques ou plus longues, afin de minimiser la lentille thermique. Dans d’autres cas, on utilise un absorbeur pour les longueurs d’onde plus longues. Souvent, la lampe est entourée d’une enveloppe cylindrique appelée tube d’écoulement. Ce tube d’écoulement est généralement fait d’un verre qui absorbe les longueurs d’onde inadéquates, comme l’ultraviolet, ou qui fournit un chemin pour l’eau de refroidissement qui absorbe l’infrarouge. Souvent, la gaine est dotée d’un revêtement diélectrique qui réfléchit les longueurs d’onde inadéquates de la lumière vers 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 torche, si la lampe et la tige sont de diamètre égal, 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 traitées 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 sont moins efficaces car toute la lumière n’est pas correctement imagée dans la tige, ce qui entraîne des pertes thermiques accrues. Ces pertes peuvent être minimisées en utilisant une cavité à couplage étroit. Cette approche peut permettre un pompage plus symétrique, augmentant toutefois la qualité du faisceau.
Une autre configuration utilise une tige et une lampe flash dans une cavité faite d’un matériau à réflexion diffuse, comme 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 premier. Ce matériau ne couple pas aussi bien la lumière dans le milieu lasant, puisque la lumière subit de nombreuses réflexions avant d’atteindre la tige, mais il 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 doré. Cette approche est plus compatible avec les tiges non polies ou les lampes multiples.
Les modes parasites se produisent lorsque des réflexions sont générées dans des directions autres que la longueur de la tige, ce qui peut consommer de l’énergie qui serait autrement disponible pour le faisceau. Cela peut être un problème particulier si le baril de la tige est poli. Les tiges laser cylindriques supportent des modes de galerie de chuchotement en raison de la réflexion interne totale entre la tige et l’eau de refroidissement, qui se reflètent continuellement autour de la circonférence de la tige. Les modes « Light pipe » peuvent se réfléchir sur toute la longueur de la tige en zigzag. Si la tige est recouverte d’un revêtement antireflet ou si elle est immergée dans un fluide dont l’indice de réfraction correspond à celui de la tige, elle peut réduire considérablement ces réflexions parasites. De même, si le barillet de la tige est rugueux (dépoli), ou rainuré, les réflexions internes peuvent être dispersées.
Le pompage avec une seule lampe a tendance à concentrer la majeure partie de l’énergie sur un côté, aggravant le profil du faisceau. Il est courant pour les tiges d’avoir un baril dépoli, pour diffuser la lumière, fournissant une distribution plus uniforme de la lumière dans toute la tige. Cela permet une plus grande absorption d’énergie dans le milieu de gain pour un meilleur mode transversal. Un tube d’écoulement dépoli ou un réflecteur diffus, bien qu’entraînant une baisse de l’efficacité du transfert, 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 aux fréquences non absorbées par le dopant retournera dans la lampe et réchauffera le plasma, réduisant ainsi la durée de vie de la lampe.
Les lampes flash de pompageEdit
Les lampes flash ont été la première source d’énergie pour les lasers. Elles sont utilisées pour des énergies pulsées élevées dans les lasers à solide et à colorant. Elles produisent un large spectre de lumière, ce qui fait que la plupart de l’énergie est gaspillée sous forme de chaleur dans le milieu de gain. Les lampes flash ont également tendance à avoir une courte durée de vie. Le premier laser était constitué d’une lampe flash hélicoïdale entourant une tige de rubis.
Les lampes flash en quartz sont le type le plus communément utilisé dans les lasers, et, à de faibles énergies ou à des taux de répétition élevés, elles 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 aussi la partie électrode du verre. Les lampes flash refroidies à l’eau sont généralement fabriquées avec le verre rétréci autour de l’électrode pour permettre le refroidissement direct du tungstène. Si l’on permet à l’électrode de 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 particulière. Les basses énergies donnent lieu à des pulvérisations, qui peuvent enlever de la matière de la cathode et la redéposer sur le verre, créant un aspect assombri et réfléchi. La durée de vie à basse énergie peut être assez imprévisible. Les énergies élevées provoquent l’ablation des parois, ce qui non seulement donne au verre un aspect trouble, mais l’affaiblit aussi structurellement et libère de l’oxygène, ce qui affecte 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. Les impulsions très longues peuvent enlever de grandes quantités de matériau de la cathode, le 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, ce qui évite une grave ablation des parois. Le déclenchement externe n’est généralement pas recommandé pour les impulsions courtes. Le déclenchement par tension de simulation est généralement utilisé pour les décharges extrêmement rapides, comme celles utilisées dans les lasers à colorant, et souvent combiné à une « technique de pré-impulsion », où comme un petit flash est initié juste quelques millisecondes avant le flash principal, pour préchauffer le gaz pour un temps de montée plus rapide.
Les lasers à colorant utilisent parfois le « pompage axial », qui consiste en une lampe flash creuse, de forme annulaire, avec l’enveloppe extérieure reflétée pour réfléchir la lumière appropriée vers le centre. La cellule à colorant est placée au centre, ce qui permet une distribution plus uniforme de la lumière de pompage et un transfert d’énergie plus efficace. La lampe torche creuse a également une inductance plus faible qu’une lampe torche normale, ce qui permet une décharge éclair plus courte. Dans de rares cas, 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 fournit 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 un 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 éclairs), et choisi un niveau d’énergie sûr pour le fonctionnement, l’équilibre de la tension et de la capacité peut être ajusté pour centrer la sortie n’importe où entre le proche infrarouge et l’ultraviolet lointain. Les faibles densités de courant résultent de l’utilisation d’une très haute tension et d’un faible courant. Cela produit des lignes spectrales élargies avec une sortie centrée dans le proche infrarouge, et c’est la meilleure solution pour pomper les lasers infrarouges tels que Nd:YAG et erbium:YAG. Des densités de courant plus élevées élargissent les lignes spectrales au point qu’elles commencent à se mélanger et qu’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 qu’à mesure que le courant augmente, le centre de sortie se déplace vers le spectre visuel, ce qui est préférable pour le pompage des lasers à lumière visible, comme 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 le pompage des barres laser dopées au néodyme. En effet, les lignes spectrales dans le proche infrarouge correspondent mieux aux lignes d’absorption du néodyme, ce qui confère au krypton une meilleure efficacité de transfert, même si sa puissance globale de sortie est plus faible. Cela est particulièrement efficace avec le Nd:YAG, dont le profil d’absorption est étroit. Pompé avec du krypton, ces lasers peuvent atteindre jusqu’à deux fois la puissance de sortie obtenue avec du xénon. L’émission de raies spectrales est généralement choisie lors du pompage du Nd:YAG avec du krypton, mais comme toutes les raies spectrales du xénon manquent les bandes d’absorption du Nd:YAG, lors du pompage avec du xénon, l’émission du continuum est utilisée.
Pompage par lampe à arcEdit
Les lampes à arc sont utilisées pour les tiges de pompage qui peuvent supporter un fonctionnement continu, et peuvent être faites de n’importe quelle taille et puissance. Les lampes à arc typiques fonctionnent à une tension suffisamment élevée pour maintenir le certain niveau de courant pour lequel la lampe a été conçue pour fonctionner. Ce courant est souvent de l’ordre de 10 à 50 ampères. En raison de leurs pressions très élevées, les lampes à arc nécessitent des circuits spécialement conçus pour l’allumage, ou « amorçage » de l’arc. L’amorçage se fait généralement en trois phases. Dans la phase d’amorçage, une impulsion de tension extrêmement élevée provenant du transformateur « d’amorçage en série » crée un jet d’étincelles entre les électrodes, mais l’impédance est trop élevée pour que la tension principale prenne le relais. Une phase de « tension d’appoint » est alors lancée, où une tension supérieure à la chute de tension entre les électrodes est appliquée à la lampe, jusqu’à ce que le gaz soit chauffé à l’état de plasma. Lorsque l’impédance devient suffisamment faible, la phase de « contrôle du courant » prend le relais, où comme la tension principale commence à conduire le courant à un niveau stable.
Le pompage par lampe à arc a lieu dans une cavité similaire à celle d’un laser pompé par une 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, en veillant à ce que l’eau s’écoule au-delà du verre et sur les connecteurs d’électrode. Cela nécessite l’utilisation d’eau déminéralisée 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 taux de 4 à 10 litres par minute.
Les lampes à arc existent dans presque tous les types de gaz nobles, y compris 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 et se compose de lignes spectrales à bande étroite 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 sont généralement utilisés pour pomper des lasers infrarouges tels que Nd:YAG.
Pompage laser externeEdit
Un laser d’un type approprié peut être utilisé pour pomper un autre laser. Le spectre étroit du laser de pompage lui permet de s’adapter étroitement aux lignes d’absorption du milieu lasant, ce qui lui confère un transfert d’énergie beaucoup plus efficace que l’émission large bande des lampes flash. Les lasers à diode pompent les lasers à solide et les lasers à colorant liquide. Une conception de laser en anneau est souvent utilisée, notamment dans les lasers à colorant. Le laser en anneau utilise trois miroirs ou plus pour réfléchir la lumière selon une trajectoire circulaire. Cela permet d’éliminer l’onde stationnaire générée par la plupart des résonateurs de Fabry-Pérot, ce qui conduit à une meilleure utilisation de l’énergie du milieu de gain.
Autres méthodes de pompage optiqueEdit
Les micro-ondes ou le rayonnement EM radiofréquence peuvent être utilisés pour exciter les lasers à gaz.