Lasers moléculaires
Lasers à gaz

4.1 Laser à CO2

Découvert par Patel peu de temps après les lasers dans le visible (rubis, He-Ne), ce laser fonctionne sur les niveaux de vibration-rotation de la molécule de CO₂. Cette dernière possède trois modes de vibration (ν ₁ , ν ₂ et ν ₃), avec, dans chaque mode, des niveaux de vibration dans lesquels la molécule peut occuper un des niveaux de rotation (non représentés sur la figure 4). Des échanges d’énergie vibrationnelle ont lieu avec une grande probabilité entre les niveaux de vibration de la molécule d’azote et le mode ν ₃ du CO₂ , ainsi qu’entre les modes ν ₁ et ν ₂ du fait des collisions quasi-résonnantes. L’énergie de vibration de ce dernier mode relaxe rapidement vers la translation. Lorsque la température est modérée (proche de 300 à 400 K), les molécules situées dans les modes ν ₁ et ν ₂ relaxent rapidement vers le niveau fondamental. Lorsque, par ailleurs, les niveaux de vibration de l’azote et du mode ν ₃ du CO₂ sont peuplés par des collisions électroniques, une inversion totale de population est réalisée.

L’excitation des mélanges gazeux (azote, gaz carbonique et hélium) est obtenue de différentes manières : pour les lasers continus, il s’agit généralement d’une décharge électrique, qui peut être autoentretenue ou préionisée, obtenue par une tension continue, radiofréquence ou hyperfréquence, ces deux derniers modes d’excitation présentant divers avantages : la tension de décharge est peu élevée, les électrodes sont externes, la puissance peut être facilement modulée. Pour les lasers pulsés, on produit une décharge rapide transverse dans un mélange de gaz à pression atmosphérique [lasers TEA (Transverse Excited Atmospheric)], avec une énergie laser atteignant 5 J par litre de volume excité.

Le rendement théorique de ce laser est de 41 % ; l’efficacité globale de conversion de l’énergie électrique en énergie vibrationnelle dans le niveau 001 atteint couramment 25 %, le rendement global est de 10 %, ce qui constituait la valeur la plus élevée avant l’avènement des diodes laser. Ce haut rendement résulte des optimisations de décharge électrique, de contrôle...