Différents types de lasers
- Tube de laser HeNe en fonctionnement. La lumière rose n'est pas l'émission laser mais plutôt la lumière émise par fluorescence par l'hélium.
Lasers à gaz
Comme son nom l'indique, le milieu actif de ce type de laser est un gaz, pur ou en mélange. Le milieu est habituellement excité par une décharge électrique, mais le pompage peut aussi être optique. Les lasers de ce type sont d'une efficacité moyenne, d'une directivité du faisceau exceptionnelle et d'une puissance variable.
Atomes neutres
Dans ce type de laser, le milieu actif est exclusivement constitué d'atomes neutres à l'état gazeux. Le meilleur exemple en est le laser hélium-néon (HeNe), connu pour la pureté de sa longueur d'onde d'émission et la directivité du faisceau obtenu. Il a été le premier laser à gaz construit. Il possède une petite puissance de sortie et est peu coûteux à produire. C'est pour ces raisons qu'il est utilisé pour le positionnement du patient pour des radiographies, pour la lecture des codes-barres ou pour des expériences en optique. Dans ce laser, l'hélium est excité par la décharge électrique. Ces atomes vont ensuite exciter les atomes de néon par collision. Finalement, le néon émet de la lumière. Le laser HeNe est particulièrement utilisé pour son émission dans le rouge, à 632,8 nm, bien qu'il émette à quelques autres longueurs d'onde.
Moléculaires
Le laser à gaz moléculaire le plus connu est certainement le laser à dioxyde de carbone (CO2). Il est surtout reconnu pour sa forte puissance (1 W à 1 kW). Cette caractéristique exceptionnelle lui permet de sectionner un tissu organique et d'empêcher le saignement au cours de la découpe. La cicatrisation se fait alors dans de bonnes conditions suivant le processus naturel. Le milieu actif de ce laser est le plus souvent constitué d'un mélange d'hélium, d'azote et de dioxyde de carbone, mais c'est le CO2 qui produit le rayonnement laser. Il émet à de nombreuses longueurs d'onde dans l'infrarouge mais est surtout utilisé à 9,4 et à 10,4 µm. D'autres gaz moléculaires sont utilisés couramment dans la fabrication de laser : N2, H2, CO et N2O.
Ioniques
Le milieu actif est dans ce cas-ci composé d'ions sous forme gazeuse. Le mieux connu d'entre eux est le laser à argon ionique (Ar+). Il peut émettre à une vingtaine de longueurs d'onde, allant du vert à l'ultraviolet, avec des puissances variant de 100 mW à 10 W. Les longueurs d'onde de faible puissance sont souvent utilisées dans des spectacles sons et lumière.
Excimer
Le milieu actif d'un laser excimer est un gaz de molécules diatomiques excitées, comme le Xe2, le Kr2 et le Ar2. Ce type de laser a été développé pour sa grande puissance (10 à 100 MW) d'émission dans l'ultraviolet. Le laser excimer a de plus une grande efficacité (1,5 à 2 %) et produit de petites impulsions qui permettent de faire l'ablation des surfaces de tissus ou des incisions. C'est pourquoi il est utilisé pour les chirurgies de la cornée.
Lasers à solides
Les lasers à solide utilisent des verres ou des cristaux comme milieu actif. Le milieu actif se présente sous forme de tige dont les extrémités sont parfaitement parallèles et ont été recouvertes d'un matériau réfléchissant. De tous les lasers, ce sont ceux qui fournissent la plus grande puissance utile et sont généralement utilisés dans un mode à impulsions. Les lasers à solide fonctionnent généralement grâce à un pompage optique, que ce soit par la lumière émise par une lampe à décharge ou par un autre laser. Les lasers à solide couvrent une grande partie du spectre électromagnétique, de l'infrarouge à l'ultraviolet. Un désavantage des lasers à solide est que le milieu actif s'endommage si sa température devient trop élevée. Les défauts qui sont ainsi créés nuisent à la qualité du faisceau laser. C'est d'ailleurs pour cette raison que les lasers à solide fonctionnent généralement en mode à impulsions, ce qui permet de ménager le matériau.
YAG
YAG est l'acronyme de Yttrium Aluminium Garnet et désigne le composé solide Y3AL5O12. La lumière, dans ce type de laser, est émise par des impuretés (on dit alors que le cristal est dopé) de néodyme (Nd3+). Les lasers de ce type produisent du rayonnement infrarouge dont la puissance varie généralement de 10 à 100 W. Ils sont entre autres utilisés pour façonner des diamants et autres pierres précieuses et pour découper des métaux. Il existe aussi des lasers YAG dopés à l'erbium (Er3+), qui sont particulièrement utilisés en chirurgie plastique pour « effacer » des imperfections de la peau.
Rubis
Le premier laser fonctionnel était un laser à rubis. Le rubis est un cristal d'oxyde d'aluminium (Al2O3) contenant des impuretés de chrome (Cr3+). Ce sont ces ions qui donnent au rubis sa couleur rouge et qui lui permettent d'émettre du rayonnement laser lorsqu'ils sont excités par la lumière émise par une lampe au xénon. Le laser à rubis émet à une longueur d'onde de 694 nm et est utilisé pour l'épilation au laser.
Néodyme
Le milieu actif pour ce type de laser est une petite plaquette (moins de 1 mm d'épaisseur) de composés contenant du néodyme, comme le NPP (NdP5O14) et le LNP (LiNdP4O12), qui est excitée par un laser à argon.
Tableau comparatif des lasers à solides et gaz
Lasers à semi-conducteurs
Le mode d'émission du rayonnement laser dans un matériau semi-conducteur est très différent de celui décrit précédemment. Dans un cristal, les énergies permises pour les électrons sont sous forme de bandes, plutôt que sous forme de niveaux discrets bien séparés les uns des autres, comme c'est le cas pour des atomes seuls. Cela est dû à la superposition des niveaux énergétiques de chacun des atomes constituant le cristal. Pour un semi-conducteur, les deux dernières bandes sont celles qui joueront un rôle dans l'émission laser. Ce sont les bandes de valence et de conduction, qui sont séparées par une zone d'énergie interdite. À température normale, une petite portion des électrons de la bande de valence a assez d'énergie pour passer à la bande de conduction, ce qui permet à un courant électrique de circuler dans le matériau.
Les semi-conducteurs purs, comme le silicium ou le germanium, sont de peu d'intérêt pour la fabrication des lasers. En effet, on utilise plutôt des semi-conducteurs dopés, contenant des impuretés, comme l'arséniure de gallium (GaAs) dopé à l'aluminium. On peut alors fabriquer des semi-conducteurs de type n, qui ont un excès d'électrons de conduction et d'autres de type p, qui ont plutôt une déficience en électrons de conduction. Souvent, on considère que les semi-conducteurs de type p ont un surplus de « trous », qui se comportent comme des charges positives. Ces deux types de semi-conducteurs sont le plus souvent juxtaposés, pour former ce qu'on appelle une jonction p-n. Cette jonction est au c?ur du fonctionnement d'un grand nombre de pièces électroniques comme les transistors.
Lorsqu'un potentiel positif est appliqué au semi-conducteur de type p et un potentiel négatif au type n, un grand courant peut traverser la jonction. Des électrons sont injectés dans le semi-conducteur de type p et des trous dans celui de type n. Il peut alors y avoir des recombinaisons trou-électron, qui se font avec l'émission de lumière. Lorsque le courant traversant la jonction p-n est faible, l'émission est peu directionnelle et n'est pas monochromatique. C'est de cette manière que fonctionnent les diodes électroluminescentes (aussi appelées LEDs), ces petites sources lumineuses que l'on retrouve sur bon nombre d'appareils électriques. Cependant, au-dessus d'un certain courant de seuil, la lumière devient plus intense, plus directionnelle et monochromatique. La jonction p-n, qui joue alors le rôle de milieu actif, produit un faisceau laser.
Les lasers à semi-conducteurs sont particulièrement compacts. Ils sont typiquement d'une longueur de 100 à 500 µm et la couche active a une épaisseur entre 0,1 et 2 µm. Ils possèdent également une efficacité très appréciable d'environ 50 %. Le faisceau résultant d'un tel laser est cependant peu directionnel, ayant une divergence de 5° à 30°, parce qu'il est émis par une petite surface de moins de 20 µm de côté. Il est aussi peu puissant : entre 1 et 100 mW. Les lasers à semi-conducteurs sont notamment utilisés pour les imprimantes laser, les lecteurs de disques compacts et comme source lumineuse pour la fibre optique, principalement à cause de leur petite taille. Ce sont aussi eux que l'on retrouve dans les fameux pointeurs laser.