Laser au dioxyde de carbone - Définition

Introduction

Schéma de principe d'un laser au dioxyde de carbone (CO₂).

Le laser au dioxyde de carbone (laser au CO₂) est un des plus anciens lasers à gaz développé par Kumar Patel dans les laboratoires Bell en 1964 et il garde encore de nos jours de très nombreuses applications. Les lasers au dioxyde de carbone en mode continu ont une grande puissance et sont aisément disponibles. Ils sont également très efficaces ; le ratio puissance de pompage (puissance d'excitation) vs la puissance de sortie atteint 20%.

Les lasers au CO₂ émettent dans l'infrarouge, leur bande de longueur d'onde principale étant centrée entre 9,4 et 10,6 μm (micromètres).

Amplification

Le milieu amplificateur est un gaz — refroidi par un circuit d'eau dans le cas des grandes puissances — dans lequel on fait une décharge électrique. Le gaz utilisé dans le tube à décharge se compose de :

• dioxyde de carbone (CO₂), environ 10 à 20% ;
• diazote (N₂), environ 10 à 20%,
• dihydrogène (H₂) et/ou xénon (Xe), quelques pour cents, généralement uniquement dans un tube fermé ;
• hélium (He) en quantité nécessaire pour compléter.

Les proportions varient selon le type précis de laser qu'on souhaite obtenir.

L'inversion de population dans le laser est réalisée selon la séquence suivante :

1. la collision avec un électron induit un état excité vibratoire dans le diazote. Comme le diazote est une molécule homonucléaire elle ne peut pas perdre son énergie par émission d'un photon et donc ses niveaux d'excitation vibratoires sont métastables et ont une grande durée de vie ;
2. le transfert de l'énergie de collision entre le diazote et le dioxyde de carbone induit une excitation vibratoire du dioxyde de carbone avec une énergie suffisante pour conduire à l'inversion de population souhaitée pour le fonctionnement du laser ;
3. les molécules restent dans un état excité inférieur. Le retour à leur état fondamental se fait par collision avec des atomes d'hélium froids. Les atomes d'hélium échauffés par les chocs doivent être refroidis pour conserver leur capacité à produire une inversion de population des molécules de dioxyde de carbone. Dans les lasers à ampoule fermée, ce refroidissement se fait par échange de chaleur lorsque les atomes d'hélium rebondissent sur la paroi froide de l'ampoule. Dans le cas de lasers à flux, un courant continu de CO₂ et de N₂ est excité par la décharge et le mélange de gaz chaud est ensuite évacué par une pompe.

Applications

Une cible expérimentale est vaporisée puis enflammée par un laser au dioxyde de carbone d'une puissance de quelques dizaines de kilowatts.

Compte tenu des hautes puissances possibles associées à un coût raisonnable, les lasers au CO₂ sont couramment utilisés dans l'industrie pour la découpe et la soudure, et, avec une moindre puissance, pour la gravure. On les retrouve aussi en chirurgie car ils opèrent sur une longueur d'onde très bien absorbée par l'eau, donc par les tissus vivants (chirurgie laser, lissage de la peau, rhytidectomie — qui consiste essentiellement en un brûlage de la peau pour favoriser la formation de collagène — et dermabrasion). On peut aussi utiliser le laser CO₂ pour traiter certains défauts de la peau comme la couronne perlée du gland ou pour l'ablation de protubérances par exemple.

Comme l'atmosphère terrestre est particulièrement transparente à l'infrarouge, les lasers au CO₂ sont aussi utilisés à des fins militaires (télémétrie) en utilisant les techniques du Lidar.