En quelques décennies seulement, la technologie laser est devenue un élément central de l’innovation moderne. Imprimantes laser compactes, machines de découpe laser industrielles et outils laser chirurgicaux : ce ne sont là que quelques exemples de la manière dont les lasers se sont intégrés dans diverses facettes de notre vie quotidienne.
Mais toutes les applications partagent-elles le même type de laser ? Bien sûr que non ! Bien que le principe de base soit le même, leur longueur d'onde, leur support de génération et leur cas d'utilisation diffèrent.
Cet article offre un aperçu clair de ces différences. Il découvre le principe de fonctionnement de base, les différentes classifications de lasers et l'objectif de chaque type de laser.
Dans Cet Article
- Qu'est-ce qu'un Laser ?
- Types de Lasers en Fonction du Milieu Amplificateur
- Types de Lasers en Fonction du Mode de Fonctionnement
- Types de Lasers par Longueur d'Onde
- Quel est le Type de Laser le Plus Couramment Utilisé ?
- Comment Choisir le Type de Laser Adapté à Vos Besoins ?
- FAQ sur les Types de Lasers
- Conclusion
Qu'est-ce qu'un laser ?
Un laser est un faisceau de lumière cohérent, monochromatique et unidirectionnel. Il peut être suffisamment intense et puissant pour couper des surfaces. Le mot « LASER » lui-même définit le principe de fonctionnement. C’est l’acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ».
Le concept du laser a été introduit pour la première fois par Albert Einstein en 1916. Il a découvert que les électrons, lorsqu'ils sont stimulés par la lumière (énergie), atteignent des niveaux d'énergie plus élevés lors de l'excitation, puis libèrent l'énergie excédentaire sous forme de lumière, que nous appelons laser.
Le composant central d'un laser est un milieu de gain (liquide, gazeux ou solide) dont les électrons sont excités par l'énergie et un processus d'amplification de la lumière se produit. Le support à gain reçoit de l'énergie du pompage, généralement une lampe de poche externe ou une autre source de lumière, alimentée par l'électricité.
Lorsque les atomes du milieu à gain absorbent l’énergie de la source de pompage, ils atteignent un état excité. Ces atomes excités libèrent alors des particules de lumière appelées photons. Ces photons ont tous la même longueur d’onde, ce qui donne à la lumière laser sa couleur unique (si elle se trouve dans le spectre visible).
À l’intérieur du laser, deux miroirs se font face à chaque extrémité du milieu de gain. Un miroir est un réflecteur élevé, ce qui signifie qu’il reflète presque toute la lumière qui le frappe. L’autre est un coupleur de sortie partiellement transparent.
Les photons libérés par les atomes excités rebondissent entre les deux miroirs. Chaque fois qu’ils traversent le milieu de gain, ils stimulent des atomes plus excités pour libérer plus de photons. Ce processus amplifie la lumière. Finalement, la lumière devient suffisamment intense pour traverser le coupleur de sortie sous la forme d'un faisceau de lumière concentré, ce que nous appelons un faisceau laser.
Types de laser par Gain Medium
La façon la plus courante de classer les lasers est de se baser sur le support de gain optique. Le milieu de gain peut être l'un des trois états physiques suivants : solide, liquide ou gazeux. Parmi ces trois types principaux, trois lasers populaires sont bien connus : les lasers à diode, à fibre et à CO2. Ils ont donc été expliqués séparément.
Lasers à État Solide
Ces lasers utilisent un matériau solide comme support de gain, généralement un verre ou un matériau cristallin dopé avec des ions de métaux des terres rares. Le matériau dopant absorbe l'énergie de pompage et émet de la lumière.
Le laser rubis, un type de laser à solide, a été le premier laser jamais fabriqué. Un autre nom bien connu est le laser à grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd : YAG). Ce laser est assez puissant et utilisé à des fins de soudage et de découpe.
Certains lasers à solide pulsés sont utilisés dans le domaine médical pour l'ablation du cancer, des calculs rénaux et les opérations d'épilation.
Lasers à Gaz
Les lasers à gaz, comme leur nom l'indique, utilisent des gaz comme milieu de gain. Le courant électrique traverse un mélange gazeux qui excite les atomes de gaz et les amène à émettre des photons. Les gaz généralement utilisés sont les gaz rares (hélium, néon, argon, krypton), l'azote et le CO2.
Les lasers hélium-néon (HeNe) sont peu coûteux et utilisés dans la recherche optique et à des fins éducatives. En dehors de cela, nous voyons des lasers à gaz dans le traitement des matériaux, la découpe, le soudage et les chirurgies au laser.
Lasers Liquides
Les lasers à colorant utilisent une solution de colorant liquide comme milieu de gain. Les molécules de colorant sont excitées par une source de lumière, ce qui entraîne l'émission de photons. La rhodamine est un colorant couramment utilisé dans ces lasers.
En raison de leur accordabilité et de leur capacité à générer différentes longueurs d’onde, les lasers à colorant sont particulièrement utiles en spectroscopie, en diagnostic médical et en médecine laser. Ils sont également utilisés dans la surveillance et la recherche sur la pollution atmosphérique.
Lasers à Semi-Conducteurs
Techniquement, les semi-conducteurs sont également un exemple de lasers à solide. Ils utilisent une diode semi-conductrice (comme l'arséniure de gallium) comme milieu de gain. Lorsqu'un courant électrique traverse la jonction PN de cette diode, les électrons et les trous (lacunes électroniques) se recombinent, libérant de l'énergie sous forme de photons. Ce processus est connu sous le nom d'électroluminescence.
Généralement, les semi-conducteurs sont tous des lasers à diode. Cependant, il existe quelques exceptions, par exemple, les lasers à semi-conducteur pompés (où un autre laser pompe optiquement la lumière) et les lasers à cascade quantique sont des lasers à semi-conducteur sans diode.
En raison de leur petite taille et de leur efficacité, les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés dans l'électronique grand public, les pointeurs laser, les CD, les DVD, les machines laser de bureau, les lecteurs de codes-barres et diverses autres applications de détection.
Laser à Fibre
Les lasers à fibre utilisent un câble à fibre optique comme support de gain. Le cœur de la fibre (silice) est dopé avec des éléments de terres rares comme l'erbium, l'ytterbium ou le néodyme. La fibre est ensuite « pompée » avec la lumière provenant de lasers à diode ou d’autres sources lumineuses, ce qui excite les atomes dopés. Lorsque ces atomes libèrent des photons, la lumière est amplifiée au sein de la fibre.
Les lasers à fibre sont très puissants et très appréciés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et de marquage. Ils sont également utilisés dans les applications médicales, les télécommunications et à des fins de recherche.
Laser CO2
Le laser CO2 utilise principalement du dioxyde de carbone comme milieu de gain, mélangé à d'autres gaz comme l'azote et l'hélium. Le laser fonctionne en stimulant électriquement le mélange de CO2.
Ils sont légèrement moins puissants que les lasers à fibre, mais restent capables de découper une large gamme de matériaux. En milieu industriel, ils sont utilisés pour couper, souder et graver divers matériaux, notamment les plastiques, le bois et les métaux. Dans le domaine médical, ils sont utilisés pour les traitements de resurfaçage de la peau, en dermatologie et dans de nombreuses autres interventions chirurgicales.
Types de Laser par Mode de Fonctionnement
La classification suivante est basée sur le mode de fonctionnement, c'est-à-dire comment le faisceau laser rayonne-t-il ? Il existe principalement deux modes de fonctionnement.
Lasers à Ondes Continues
Les lasers à ondes continues émettent un faisceau de lumière constant et ininterrompu tant qu'ils sont alimentés. Il n'y a aucune interruption ni modulation du flux lumineux.
Les lasers à ondes continues sont couramment utilisés dans les applications où une source de lumière constante et constante est requise. Par exemple, dans les applications industrielles de découpe ou de soudage, nous avons besoin d’un approvisionnement constant en énergie pour vaporiser ou faire fondre les matériaux.
Lasers Pulsés
Les lasers pulsés émettent de la lumière par courtes rafales ou impulsions. Ce mode est utilisé lorsqu'un fonctionnement continu n'est pas pratique ou lorsqu'une puissance de crête élevée est requise. Dans ce cas, la sortie continue d'un laser traditionnel est modifiée par différentes méthodes telles que la commutation Q, le pompage par impulsions et le verrouillage de mode.
Cas d'Utilisation par Durée d'Impulsion :
La durée de l'impulsion peut aller de millisecondes à femtosecondes. Cette durée est utile dans différents scénarios.
- Millisecondes : Les lasers avec des impulsions millisecondes sont souvent utilisés dans les traitements médicaux, tels que les procédures dermatologiques pour le détatouage et l'épilation.
- Microsecondes : Les lasers pulsés microsecondes trouvent des applications dans le traitement industriel, comme le perçage de précision et le micro-usinage, où l'impact thermique doit être minimisé.
- Nanosecondes : Utilisées dans la recherche scientifique et dans certaines applications médicales, les impulsions nanosecondes permettent un travail de haute précision sans dommages thermiques importants aux zones environnantes.
- Picosecondes et femtosecondes : Les lasers à impulsions ultra-courtes comme les lasers picoseconde et femtoseconde sont utilisés dans des procédures chirurgicales de haute précision, par exemple les chirurgies oculaires, et dans la recherche scientifique où une précision extrêmement élevée et un impact thermique minimal sont requis.
Un point important à noter : La puissance optique d’une machine laser (indiquée dessus) est sa puissance laser moyenne. Dans les lasers à ondes continues, la puissance moyenne et la puissance maximale du laser sont presque les mêmes. Par exemple, s'il s'agit d'un laser de 40 W, cela signifie que sa puissance maximale sera de 40 W. Mais pour une machine laser pulsée, dans laquelle la génération du laser se fait par courtes rafales, la puissance moyenne est bien inférieure à sa puissance maximale. Un laser pulsé de 40 W peut avoir une puissance maximale de 4 000 W.
Types de Laser par Longueur d'Onde
Les lasers peuvent également être classés en fonction de la longueur d’onde de la lumière qu’ils émettent. Nous le catégorisons en fonction de sa position sur le spectre électromagnétique.
©ResearchGate
Lasers Ultraviolets
Les lasers ultraviolets (UV) fonctionnent généralement dans la plage de longueurs d'onde d'environ 100 à 400 nanomètres. Les lasers UV courants comprennent le laser Excimer (comme le laser au fluorure d'argon à 193 nm) et le laser à l'azote (à 337 nm). Ces lasers sont connus pour leur capacité à produire une lumière de courte longueur d’onde et de haute énergie.
Les lasers UV sont largement utilisés en photolithographie pour la fabrication de semi-conducteurs, en dermatologie pour les traitements de la peau, en LASIK (chirurgie des yeux) et en gravure laser pour les travaux de haute précision.
Lasers Visibles
Les lasers visibles fonctionnent dans une plage d'environ 400 à 700 nanomètres. Leur longueur d’onde se situe dans le spectre visible, c’est-à-dire que ce sont des lasers colorés visibles par les humains.
Les exemples incluent le laser Argon-ion (lumière bleu-vert, environ 488 nm et 514,5 nm), le laser hélium-néon (HeNe, lumière rouge à 632,8 nm) et plusieurs autres lasers à colorant qui couvrent une large gamme de couleurs dans le spectre visible.
Les lasers visibles sont utilisés dans diverses applications telles que la spectroscopie, l'holographie, les applications biomédicales, les pointeurs laser et le divertissement pour les spectacles laser.
Lasers Infrarouges
Il s’agit d’un spectre plus large qui couvre la plupart des types de laser et qui a été divisé en trois sous-sections.
Proche infrarouge : Ces lasers fonctionnent dans la plage d'environ 700 nm à 1 400 nm. Des exemples courants sont les lasers Nd:YAG (à 1 064 nm) et les lasers à diode.
Infrarouge Moyen : Les longueurs d'onde vont de 1 400 nm à 3 000 nm. Les lasers comme le laser YAG dopé à l'Erbium (Er : YAG) à 2940 nm entrent dans cette catégorie.
Infrarouge Lointain : Ceux-ci s'étendent de 3 000 nm à 1 mm. Les lasers CO2 (à 10 600 nm) sont les plus remarquables de cette gamme.
Les lasers infrarouges ont un large éventail d'applications, notamment dans les communications par fibre optique (proche infrarouge), les chirurgies médicales comme le resurfaçage de la peau au laser (infrarouge moyen) et la découpe et le soudage industriels (infrarouge lointain).
Quel est le Type de Laser le Plus Couramment Utilisé ?
Il est difficile d'en citer un seul. En général, trois noms : les lasers à fibre, les lasers CO2 et les lasers à diode sont très populaires parmi les fabricants et les amateurs :
Lasers à Fibre
Les lasers à fibre font partie des lasers les plus puissants utilisés dans les applications de découpe au niveau industriel. Ils sont capables de couper des métaux et une variété d’autres matériaux grâce à leur puissance et leur précision élevées. Ils sont principalement utilisés à l’échelle industrielle en raison de leurs prix élevés et de leurs équipements lourds.
Lasers CO2
Les lasers CO2 sont légèrement moins puissants que les lasers à fibre mais restent très efficaces pour une large gamme d'applications de découpe. Ils peuvent couper des matériaux comme le bois, le plastique, le papier et le cuir. Des machines à CO2 industrielles et de bureau sont disponibles.
Lasers à Diodes
Les lasers à diode sont utilisés pour les besoins de découpe de bricolage à faible puissance et sont couramment utilisés dans les découpeuses laser de bureau à domicile. Ils conviennent à la découpe de matériaux plus fins ou plus mous. Ils sont populaires parmi les amateurs et les petites entreprises en raison de leur taille compacte et de leur prix abordable.
Comment Choisir les Types de Laser Adaptés à Vos Besoins ?
Parmi la multitude d’options, il est difficile de dire quel laser vous conviendra. Pour identifier le laser qui correspond le mieux à vos besoins, tenez compte de ces facteurs clés :
Application
Tout d’abord, identifiez comment vous utiliserez le laser. L’application dictera en grande partie le type de laser dont vous avez besoin. S’il s’agit d’un usage industriel, comme la découpe ou le soudage, vous aurez peut-être besoin d’un laser à fibre haute puissance. Pour les projets DIY, une diode laser moins puissante sera suffisante. Dans les établissements médicaux, des lasers spécifiques comme le Nd : YAG ou l'Excimer sont utilisés pour les traitements et les chirurgies.
Exigences en Matière de Puissance
Les lasers existent en différentes puissances optiques. La puissance du laser dont vous avez besoin dépend du matériau et de la nature de la tâche. Si vous avez besoin de quelque chose pour couper des matériaux ou des métaux épais, un laser d'une puissance plus élevée (>50 W) est nécessaire. Pour la gravure ou la découpe légère à la maison, un laser de faible puissance (10 à 50 W) peut suffire.
Considérations Budgétaires
Tenez compte de votre budget car le prix des machines de découpe laser varie considérablement en fonction de leur type de puissance et de leurs capacités. Les petits lasers domestiques peuvent coûter quelques centaines de dollars et conviennent à la gravure et à la découpe DIY. Les lasers industriels offrent plus de précision et de puissance et peuvent atteindre des centaines de milliers de dollars. Les prix des installations chirurgicales sont comparables à ceux des machines industrielles.
Considération de Machine
Le budget peut vous permettre de choisir le type de machine. Sachez cependant que la machine laser peut être compacte ou robuste. Pour les besoins de bricolage à domicile, une petite machine laser de bureau serait plus que suffisante. Pour les industries, vous devrez peut-être les personnaliser en fonction de vos besoins.
Considération de Sécurité
Les lasers sont également divisés en différentes classes de sécurité laser, chaque classe définissant un certain niveau de sécurité. Pour les environnements où la sécurité est une préoccupation majeure, comme dans les écoles ou les maisons, les produits laser de classe 1 sont recommandés car ils sont considérés comme les plus sûrs. Dans les environnements industriels ou contrôlés, des lasers de qualité supérieure peuvent être utilisés avec des mesures de sécurité appropriées.
FAQ sur les Types de Laser
Quels Types de Laser sont Généralement Utilisés dans la Découpe Laser ?
La découpe nécessite un faisceau laser continu et puissant. Au niveau industriel, les lasers à fibre sont recommandés pour la découpe de métaux et d'autres matériaux. Pour les besoins de bricolage ou de découpe à domicile, les lasers CO2 et à diode fonctionnent parfaitement.
Quels Types de Laser sont Généralement Utilisés dans la Gravure au Laser ?
Les machines laser capables de découper des matériaux sont également capables de les graver. Les lasers CO2 sont généralement recommandés pour graver des non-métaux. Outre les lasers à fibre, peu de lasers infrarouges sont assez efficaces pour la gravure laser des métaux.
Conclusion
La technologie laser est un domaine dynamique et en constante évolution, avec un potentiel pour de nouveaux types et avancées émergentes dans le futur. Compte tenu de la complexité et de la variété des lasers disponibles, leur classification est nécessaire pour comprendre leurs caractéristiques et leurs applications.
Dans cet article, nous avons exploré les classifications courantes et les types de lasers populaires au sein de chaque catégorie. Parmi ceux-ci, les lasers à fibre, CO2 et à diode se distinguent particulièrement par leur utilisation généralisée et leur polyvalence.
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