Définition : Le laser Nd:YAG est la forme courte utilisée pour le grenat d’aluminium d’yttrium dopé au néodyme. C’est un système à l’état solide et à 4 niveaux car il est constitué de 4 niveaux d’énergie.
L’ion Nd est un métal des terres rares et il est dopé avec un cristal hôte à l’état solide comme le grenat d’yttrium aluminium (YAG – Y3Al5O12) pour former le laser Nd:YAG. En raison du dopage, les ions yttrium sont remplacés par des ions Nd3+. Aussi, la concentration de dopage est d’environ 0,725% en poids.
Son principe de fonctionnement est tel que lorsque le pompage optique est fourni au dispositif. Alors les ions Nd s’élèvent à des niveaux d’énergie plus élevés et leur transition produit un faisceau laser.
Ce laser émet généralement une lumière de longueur d’onde de près de 1,064 μm.
Construction du laser Nd:YAG
Le laser Nd:YAG est fondamentalement catégorisé en 3 domaines qui sont le milieu actif, la source de pompage et le résonateur optique.
La figure ci-dessous montre la route comme la structure du laser Yd:YAG:
Milieu actif : Ce milieu est également connu sous le nom de milieu laser et constitue la partie centrale de la structure c’est-à-dire le cristal Nd:YAG. Fondamentalement, lorsque la source d’énergie externe est fournie, alors les électrons de l’état d’énergie inférieure se déplacent vers l’état d’énergie supérieure, provoquant ainsi l’action laser.
Source d’énergie externe : En raison de la différence entre les niveaux d’énergie, les électrons ont besoin d’un certain pompage externe afin d’effectuer une transition d’un état à l’autre. Ainsi, pour que l’action lasant ait lieu, une source de pompage externe est nécessaire.
Basiquement, comme source de pompage optique, le tube flash au xénon ou au krypton est pris dans son cas.
La tige Nd:YAG et le tube flash sont placés à l’intérieur d’une cavité elliptique de sorte que le maximum de lumière produite puisse atteindre la tige.
Résonateur optique : Les deux extrémités de la tige Nd:YAG sont recouvertes d’argent. Cependant, une extrémité est complètement revêtue d’argent afin d’obtenir une réflexion maximale de la lumière.
Alors que l’autre extrémité est partiellement revêtue afin de fournir un chemin pour le rayon lumineux provenant d’une source externe pour atteindre le milieu actif. Il forme ainsi une cavité optique.
Fonctionnement du laser Nd:YAG
C’est un système à 4 niveaux c’est-à-dire ; il contient 4 niveaux d’énergie. Donc, dans cette section, nous allons discuter du fonctionnement du laser Nd:YAG avec l’aide du diagramme de niveau d’énergie.
La figure ci-dessous montre le diagramme de niveau d’énergie à 4 états du laser Nd:YAG:
Ici, E1 est l’état d’énergie le plus bas tandis que E4 est le niveau d’énergie le plus élevé. Cependant, initialement, les électrons en E1 est très élevé par rapport à E4.
Donc, lorsque l’énergie externe est fournie dans le milieu actif du laser. Alors les électrons présents dans l’état d’énergie E1 gagnent de l’énergie et passent à l’état d’énergie E4. Cependant, comme E4 est un état instable et il présente une courte durée de vie.
Par conséquent, les électrons qui ont été excités à cet état par l’application de pompage externe ne resteront pas à cet état pour une durée beaucoup plus longue et vient à l’état d’énergie inférieur E3 très rapidement, mais sans rayonner aucun photon.
L’état d’énergie E3 est l’état métastable et présente une durée de vie plus longue. Ainsi, les électrons dans cet état particulier dureront plus longtemps. En raison de cela, un plus grand nombre d’électrons seront présents à l’état métastable E3. Il y a ainsi une inversion de population.
Mais une fois que la durée de vie des électrons à l’état métastable s’épuise alors ces électrons en libérant des photons viennent à l’état d’énergie inférieur E2.
E2 présente également une durée de vie plus courte comme E4. Ainsi, les électrons présents dans l’état E2 viendront à E1 sans rayonner de l’énergie sous forme de photon.
Donc, de cette manière les électrons en gagnant un seul photon d’énergie libèrent l’énergie de 2 photons. De plus, comme le système est équipé de résonateurs optiques donc, plus de nombre de photons seront générés car l’énergie pompée sera réfléchie à l’intérieur du milieu actif.
De cette façon, plusieurs électrons sur stimulation produisent des photons générant ainsi un faisceau laser cohérent de 1,064 µm.
Applications du laser Nd:YAG
Ils sont utilisés dans les applications militaires pour trouver la cible désirée. Ce type de laser trouve également son application dans le domaine médical à des fins chirurgicales. Ils sont également utilisés dans la soudure et la découpe de l’acier et dans le système de communication également.
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