Laser à colorant - Dye laser
Un laser à colorant est un laser qui utilise un colorant organique comme support laser , généralement sous forme de solution liquide . Par rapport aux gaz et à la plupart des supports laser à l' état solide , un colorant peut généralement être utilisé pour une gamme beaucoup plus large de longueurs d' onde , s'étendant souvent sur 50 à 100 nanomètres ou plus. La large bande passante les rend particulièrement adaptés aux lasers accordables et aux lasers pulsés. Le colorant rhodamine 6G, par exemple, peut être réglé de 635 nm (rouge orangé) à 560 nm (jaune verdâtre) et produire des impulsions aussi courtes que 16 femtosecondes. De plus, le colorant peut être remplacé par un autre type afin de générer une gamme de longueurs d'onde encore plus large avec le même laser, du proche infrarouge au proche ultraviolet, bien que cela nécessite généralement de remplacer également d'autres composants optiques dans le laser, tels que les miroirs diélectriques ou les lasers à pompe.
Les lasers à colorant ont été découverts indépendamment par PP Sorokin et FP Schäfer (et collègues) en 1966.
En plus de l'état liquide habituel, les lasers à colorant sont également disponibles sous forme de lasers à colorant à l'état solide (SSDL). Les SSDL utilisent des matrices organiques dopées comme milieu de gain.
Construction
Un laser à colorant utilise un milieu de gain constitué d'un colorant organique , qui est un colorant soluble à base de carbone qui est souvent fluorescent, comme le colorant d'un surligneur . Le colorant est mélangé avec un solvant compatible , permettant aux molécules de diffuser uniformément dans tout le liquide. La solution de colorant peut être mise en circulation à travers une cellule de colorant ou à l'air libre en utilisant un jet de colorant. Une source de lumière à haute énergie est nécessaire pour « pomper » le liquide au-delà de son seuil laser . Un tube éclair à décharge rapide ou un laser externe est généralement utilisé à cette fin. Des miroirs sont également nécessaires pour faire osciller la lumière produite par la fluorescence du colorant, qui est amplifiée à chaque passage dans le liquide. Le miroir de sortie est normalement réfléchissant à environ 80%, tandis que tous les autres miroirs sont généralement réfléchissants à plus de 99,9%. La solution de colorant est généralement mise en circulation à des vitesses élevées, pour aider à éviter l'absorption triple et pour diminuer la dégradation du colorant. Un prisme ou un réseau de diffraction est généralement monté dans le trajet du faisceau, pour permettre le réglage du faisceau.
Parce que le milieu liquide d'un laser à colorant peut s'adapter à n'importe quelle forme, il existe une multitude de configurations différentes qui peuvent être utilisées. Une cavité laser Fabry-Pérot est généralement utilisée pour les lasers pompés par tube à éclair, qui se compose de deux miroirs, qui peuvent être plats ou incurvés, montés parallèlement l'un à l'autre avec le milieu laser entre les deux. La cellule à colorant est souvent un tube mince approximativement de la même longueur que le tube éclair, avec les deux fenêtres et une entrée/sortie pour le liquide à chaque extrémité. La cellule à colorant est généralement à pompe latérale, avec un ou plusieurs tubes éclair parallèles à la cellule à colorant dans une cavité réflectrice. La cavité du réflecteur est souvent refroidie à l'eau, pour éviter le choc thermique dans le colorant provoqué par les grandes quantités de rayonnement proche infrarouge que le tube éclair produit. Les lasers à pompage axial ont un tube éclair creux de forme annulaire qui entoure la cellule à colorant, qui a une inductance plus faible pour un éclair plus court et une efficacité de transfert améliorée. Les lasers à pompage coaxial ont une cellule à colorant annulaire qui entoure le tube éclair, pour une efficacité de transfert encore meilleure, mais ont un gain plus faible en raison des pertes de diffraction. Les lasers à pompage flash ne peuvent être utilisés que pour des applications à sortie pulsée.
Une conception de laser annulaire est souvent choisie pour un fonctionnement continu, bien qu'une conception Fabry-Pérot soit parfois utilisée. Dans un laser annulaire, les miroirs du laser sont positionnés pour permettre au faisceau de se déplacer selon une trajectoire circulaire. La cellule à colorant, ou cuvette, est généralement très petite. Parfois, un jet de colorant est utilisé pour éviter les pertes de réflexion. Le colorant est généralement pompé avec un laser externe, tel qu'un laser à azote , à excimère ou à fréquence doublée Nd:YAG . Le liquide circule à des vitesses très élevées, pour éviter que l'absorption triplet ne coupe le faisceau. Contrairement aux cavités de Fabry-Pérot, un laser annulaire ne génère pas d' ondes stationnaires qui provoquent une combustion spatiale des trous , un phénomène où l'énergie est piégée dans les parties inutilisées du milieu entre les crêtes de l'onde. Cela conduit à un meilleur gain du milieu laser.
Opération
Les colorants utilisés dans ces lasers contiennent des molécules organiques assez grosses qui émettent une fluorescence. La plupart des colorants ont un temps très court entre l'absorption et l'émission de la lumière, appelé durée de vie de fluorescence, qui est souvent de l'ordre de quelques nanosecondes. (En comparaison, la plupart des lasers à semi-conducteurs ont une durée de vie de fluorescence allant de centaines de microsecondes à quelques millisecondes.) Dans des conditions de pompage laser standard, les molécules émettent leur énergie avant qu'une inversion de population puisse s'accumuler correctement, de sorte que les colorants nécessitent des colorants plutôt spécialisés. moyen de pompage. Les colorants liquides ont un seuil laser extrêmement élevé . De plus, les grosses molécules sont soumises à des transitions d' états excités complexes au cours desquelles le spin peut être "basculé", passant rapidement de l'état "singulet" utile et à émission rapide à l'état "triplet" plus lent.
La lumière entrante excite les molécules de colorant dans l'état d'être prêt à émettre un rayonnement stimulé ; l' état singulet . Dans cet état, les molécules émettent de la lumière par fluorescence et le colorant est transparent à la longueur d'onde laser. En une microseconde ou moins, les molécules passeront à leur état triplet . Dans l'état triplet, la lumière est émise par phosphorescence et les molécules absorbent la longueur d'onde laser, rendant le colorant partiellement opaque. Les lasers pompés par lampe flash ont besoin d'un flash d'une durée extrêmement courte pour fournir les grandes quantités d'énergie nécessaires pour amener le colorant au-delà du seuil avant que l'absorption triplet ne surmonte l'émission singulet. Les lasers à colorant avec un laser à pompe externe peuvent diriger suffisamment d'énergie de la longueur d'onde appropriée dans le colorant avec une quantité d'énergie d'entrée relativement faible, mais le colorant doit circuler à grande vitesse pour maintenir les molécules triples hors du trajet du faisceau. En raison de leur absorption élevée, l'énergie de pompage peut souvent être concentrée dans un volume de liquide plutôt faible.
Étant donné que les colorants organiques ont tendance à se décomposer sous l'influence de la lumière, la solution de colorant circule normalement à partir d'un grand réservoir. La solution de colorant peut s'écouler à travers une cuvette , c'est-à-dire un récipient en verre , ou se présenter sous la forme d'un jet de colorant , c'est-à-dire sous la forme d'un flux en forme de feuille à l'air libre depuis une buse de forme spéciale . Avec un jet de colorant, on évite les pertes par réflexion des surfaces en verre et la contamination des parois de la cuvette. Ces avantages se font au prix d'un alignement plus compliqué.
Les colorants liquides ont un gain très élevé en tant que support laser. Le faisceau n'a besoin de faire que quelques passages à travers le liquide pour atteindre sa pleine puissance nominale et, par conséquent, la transmittance élevée du coupleur de sortie . Le gain élevé entraîne également des pertes élevées, car les réflexions des parois des cellules à colorant ou du réflecteur de la lampe flash provoquent des oscillations parasites , réduisant considérablement la quantité d'énergie disponible pour le faisceau. Les cavités de pompe sont souvent revêtues , anodisées ou autrement constituées d'un matériau qui ne réfléchira pas à la longueur d'onde laser tout en réfléchissant à la longueur d'onde de pompe.
Un avantage des colorants organiques est leur haute efficacité de fluorescence. Les pertes les plus importantes dans de nombreux lasers et autres dispositifs de fluorescence ne proviennent pas de l'efficacité de transfert (énergie absorbée par rapport à l'énergie réfléchie/transmise) ou du rendement quantique (nombre de photons émis par nombre absorbé), mais des pertes lorsque des photons de haute énergie sont absorbés et réémis comme des photons de longueurs d'onde plus longues. Parce que l'énergie d'un photon est déterminée par sa longueur d'onde, les photons émis seront d'énergie plus faible ; un phénomène appelé le décalage de Stokes . Les centres d'absorption de nombreux colorants sont très proches des centres d'émission. Parfois, les deux sont suffisamment proches pour que le profil d'absorption chevauche légèrement le profil d'émission. En conséquence, la plupart des colorants présentent de très petits décalages de Stokes et permettent par conséquent des pertes d'énergie plus faibles que de nombreux autres types de laser en raison de ce phénomène. Les profils d'absorption larges les rendent particulièrement adaptés au pompage à large bande, comme à partir d'un tube éclair. Il permet également d'utiliser une large gamme de lasers à pompe pour un certain colorant et, inversement, de nombreux colorants différents peuvent être utilisés avec un seul laser à pompe.
Une cuvette utilisée dans un laser à colorant. Une fine feuille de liquide passe entre les fenêtres à grande vitesse. Les fenêtres sont placées à l'angle de Brewster (interface air-verre) pour le laser de pompe, et à l'angle de Brewster (interface liquide-verre) pour le faisceau émis.
Changement de Stokes dans la Rhodamine 6G pendant l'absorption/l'émission à large bande. En fonctionnement laser, le décalage de Stokes est la différence entre la longueur d'onde de pompage et la sortie.
Lasers à colorant CW
Les lasers à colorant à onde continue (CW) utilisent souvent un jet de colorant. Les lasers à colorant CW peuvent avoir une cavité linéaire ou annulaire et ont servi de base au développement des lasers femtosecondes.
Lasers à colorant à largeur de raie étroite
L'émission des lasers à colorant est intrinsèquement large. Cependant, l'émission à largeur de raie étroite accordable a été au cœur du succès du laser à colorant. Afin de produire un réglage à bande passante étroite, ces lasers utilisent de nombreux types de cavités et de résonateurs qui comprennent des réseaux, des prismes, des agencements de réseaux à prismes multiples et des étalons .
Le premier laser à colorant à largeur de raie étroite , introduit par Hänsch , utilisait un télescope galiléen comme expanseur de faisceau pour éclairer le réseau de diffraction. Viennent ensuite les conceptions de réseaux à incidence rasante et les configurations de réseaux à prismes multiples . Les divers modèles de résonateurs et d'oscillateurs développés pour les lasers à colorant ont été adaptés avec succès à d'autres types de lasers tels que le laser à diode . La physique des lasers à réseau à prismes multiples à largeur de raie étroite a été expliquée par Duarte et Piper.
Produits chimiques utilisés
Certains des colorants laser sont la rhodamine (orange, 540-680 nm), la fluorescéine (vert, 530-560 nm), la coumarine (bleu 490-620 nm), le stilbène (violet 410-480 nm), l' ombelliférone (bleu, 450- 470 nm), tétracène , vert malachite et autres. Alors que certains colorants sont en fait utilisés dans les colorants alimentaires, la plupart des colorants sont très toxiques et souvent cancérigènes. De nombreux colorants, tels que la rhodamine 6G (sous sa forme chlorure), peuvent être très corrosifs pour tous les métaux, à l'exception de l'acier inoxydable. Bien que les colorants aient des spectres de fluorescence très larges, l'absorption et l'émission du colorant auront tendance à se centrer sur une certaine longueur d'onde et à diminuer de chaque côté, formant une courbe d'accordabilité, le centre d'absorption étant d'une longueur d'onde plus courte que le centre d'émission. La rhodamine 6G, par exemple, a son rendement le plus élevé autour de 590 nm, et l'efficacité de conversion diminue lorsque le laser est réglé de chaque côté de cette longueur d'onde.
Une grande variété de solvants peut être utilisée, bien que la plupart des colorants se dissolvent mieux dans certains solvants que dans d'autres. Certains des solvants utilisés sont l' eau , le glycol , l' éthanol , le méthanol , l' hexane , le cyclohexane , la cyclodextrine et bien d'autres. Les solvants peuvent être hautement toxiques et peuvent parfois être absorbés directement par la peau ou par les vapeurs inhalées. De nombreux solvants sont également extrêmement inflammables. Les divers solvants peuvent également avoir un effet sur la couleur spécifique de la solution de colorant, la durée de vie de l'état singulet, soit en améliorant soit en étouffant l'état en triplet, et, ainsi, sur la bande passante et la puissance laser pouvant être obtenues avec une source de pompage laser particulière. .
L'adamantane est ajouté à certains colorants pour prolonger leur durée de vie.
Le cycloheptatriène et le cyclooctatetraène (COT) peuvent être ajoutés comme extincteurs triplet pour la rhodamine G, augmentant la puissance de sortie du laser. Une puissance de sortie de 1,4 kilowatt à 585 nm a été obtenue en utilisant de la Rhodamine 6G avec du COT dans une solution méthanol-eau.
Lasers d'excitation
Des lampes flash et plusieurs types de lasers peuvent être utilisés pour pomper optiquement les lasers à colorant. Une liste partielle des lasers d'excitation comprend :
- Lasers à vapeur de cuivre
- Lasers à diodes
- Lasers à excimère
- Lasers Nd:YAG (principalement deuxième et troisième harmoniques)
- Lasers à azote
- Lasers rubis
- Lasers à argon en régime CW
- Lasers à ions krypton en régime CW
Impulsions optiques ultra-courtes
RL Fork, BI Greene et CV Shank ont démontré, en 1981, la génération d'impulsions laser ultra-courtes à l'aide d'un laser à colorant annulaire (ou laser à colorant exploitant le verrouillage de mode d' impulsion par collision ). Ce type de laser est capable de générer des impulsions laser d'une durée d'environ 0,1 ps .
L'introduction de techniques de réseau et de compresseurs d'impulsions prismatiques intra-cavités a finalement abouti à l'émission de routine d'impulsions laser à colorant femtoseconde.
Applications
Les lasers à colorant sont très polyvalents. En plus de leur agilité reconnue en longueur d'onde, ces lasers peuvent offrir des énergies pulsées très importantes ou des puissances moyennes très élevées. Il a été démontré que les lasers à colorant pompés par lampe flash produisent des centaines de joules par impulsion et que les lasers à colorant pompés par laser au cuivre produisent des puissances moyennes dans le régime du kilowatt.
Les lasers à colorant sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment :
- astronomie (comme étoiles de guidage laser ),
- séparation des isotopes par laser à vapeur atomique
- fabrication
- Médicament
- spectroscopie
En médecine laser, ces lasers sont appliqués dans plusieurs domaines, y compris la dermatologie où ils sont utilisés pour uniformiser le teint de la peau. La large gamme de longueurs d'onde possibles permet une correspondance très étroite avec les raies d'absorption de certains tissus, tels que la mélanine ou l' hémoglobine , tandis que la bande passante étroite pouvant être obtenue aide à réduire la possibilité de dommages aux tissus environnants. Ils sont utilisés pour traiter les taches de vin et d'autres troubles des vaisseaux sanguins, les cicatrices et les calculs rénaux . Ils peuvent être associés à une variété d'encres pour le détatouage , ainsi qu'à un certain nombre d'autres applications.
En spectroscopie, les lasers à colorant peuvent être utilisés pour étudier les spectres d'absorption et d'émission de divers matériaux. Leur accordabilité (du proche infrarouge au proche ultraviolet), leur bande passante étroite et leur haute intensité permettent une bien plus grande diversité que les autres sources lumineuses. La variété des largeurs d'impulsion, des impulsions ultracourtes femtosecondes au fonctionnement en ondes continues, les rend adaptées à un large éventail d'applications, de l'étude des durées de vie fluorescentes et des propriétés des semi-conducteurs aux expériences de télémétrie laser lunaire .
Les lasers accordables sont utilisés en métrologie à fréquence balayée pour permettre la mesure de distances absolues avec une très grande précision. Un interféromètre à deux axes est mis en place et en balayant la fréquence, la fréquence de la lumière revenant du bras fixe est légèrement différente de la fréquence revenant du bras de mesure de distance. Cela produit une fréquence de battement qui peut être détectée et utilisée pour déterminer la différence absolue entre les longueurs des deux bras.
