Présentation
Auteur(s)
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Gilles BRASSART : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Président-directeur général de BM Industries
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Jean-Louis MEYZONNETTE : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Professeur à l’École supérieure d’optique
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Jean-Paul POCHOLLE : Chef du Laboratoire Sources laser pour optronique au Laboratoire central de recherche (LCR) Thomson-CSF
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’avènement des lasers a renouvelé considérablement le domaine de l’optronique, et étendu ses possibilités, en rendant concevables des équipements et des systèmes dits « actifs », qui étaient irréalisables à partir de sources optiques plus traditionnelles, telles que les sources thermiques. Pour de nombreuses applications, les lasers sont en effet les seules sources envisageables, car leur émission peut surpasser de loin celle de leurs concurrentes thermiques par ses caractéristiques spatiale, spectrale, temporelle ou énergétique.
L’un des avantages décisifs des lasers est la possibilité d’obtention de luminances spectriques élevées, donc d’émission de rayonnements à la fois très directifs (la divergence du faisceau peut être limitée par la diffraction dans le cas de lasers monomodes) et quasimonochromatiques : cela permet d’une part d’optimiser un éclairement de cible ou une concentration d’énergie, même sur de longues distances, et d’autre part de simplifier les optiques associées et de filtrer plus efficacement les rayonnements parasites.
L’émission des lasers se prête de plus à des techniques de modulation, et donc de traitement de signal, difficilement envisageables avec des sources thermiques (modulation d’amplitude ou de fréquence, obtention d’impulsions très brèves, accordabilité en longueur d’onde, etc.).
Après un bref rappel théorique, cet article présente l’état de l’art sur différents types de lasers : diodes laser, lasers à gaz CO2 , lasers solides pompés par diodes laser, et s’achève par des considérations sur la sécurité (en particulier oculaire) dans l’utilisation des lasers.
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- Version courante de sept. 2021 par Hugues GUILLET DE CHATELLUS
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3. Laser à dioxyde de carbone
3.1 Laser moléculaire
Le laser moléculaire CO2 est probablement la source cohérente IR la plus développée industriellement et ses applications sont des plus variées. Ce milieu actif présente un fort coefficient de gain et permet d’obtenir de fortes puissances crêtes, en régime déclenché, ou développe une importante énergie laser en régime de fonctionnement continu ou quasi continu. Une autre particularité spécifique des lasers moléculaires qui utilisent des milieux gazeux fait que l’échauffement du milieu, siège de l’excitation, peut être maintenu à une valeur raisonnable en utilisant une circulation de gaz. Par ailleurs, ce type de laser présente un rendement d’excitation élevé.
Le développement des lasers moléculaires a bénéficié de travaux réalisés dans les années 60 par Polany qui a montré qu’il était possible d’obtenir une inversion de population entre niveaux vibrationnellement excités de molécules. C’est en 1964 que C.K.N Patel obtenait un fonctionnement en continu à partir d’un laser à dioxyde de carbone et décrivait le mécanisme d’excitation et d’émission radiative et non radiative. La mise en évidence de l’obtention d’une meilleure inversion de population en employant de l’azote vibrationnellement excité a considérablement contribué au développement de cette source laser. Des puissances crêtes voisines du kilowatt étaient rapidement obtenues en régime impulsionnel ouvrant la voie à la réalisation de sources de plus en plus puissantes.
Généralement, les lasers à gaz moléculaires reposent sur l’emploi d’une grande variété de modes d’excitation. On peut citer :
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l’excitation électrique (décharge de type plasma que l’on doit contrôler afin d’éviter la création d’un arc, en particulier en travaillant à haute pression) ;
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l’excitation optique ;
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le pompage chimique (réaction chimique).
Pour certains modes de pompage, un mélange de gaz est ajouté au composé de base constituant le milieu actif afin de modifier les mécanismes de relaxation, ou afin d’améliorer les transferts d’énergie par processus collisionnel. Il en est ainsi, pour le laser à gaz CO2 pour lequel, on ajoute un mélange He, N2 .
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