Quels facteurs affectent la qualité du faisceau?
En physique des lasers, la qualité du faisceau fait référence à la qualité de la focalisation d'un faisceau laser. Plus la qualité est élevée, moins il y a de divergence dans le faisceau. Un certain nombre de facteurs peuvent affecter la qualité du faisceau, tels que le type et la qualité des composants du laser, le type de milieu de gain laser utilisé, la méthode de pompage optique utilisée, le niveau de puissance et les contraintes mécaniques et thermiques du laser.
Il y a un compromis entre qualité du faisceau et puissance du faisceau. Lorsque de l'énergie est pompée dans le milieu de gain du laser, que le laser utilise pour amplifier la lumière, une partie de l'énergie se convertit en chaleur. Un excès de chaleur peut entraîner des gradients de température dans le milieu qui produisent un effet de lentille thermique, réduisant ainsi la qualité du faisceau. Cela rend le type de milieu de gain utilisé important.
Les lasers à gaz ont tendance à être moins vulnérables aux lentilles thermiques en raison de la densité plus faible de leurs supports, et les lasers à dioxyde de carbone peuvent maintenir une qualité de faisceau élevée à des niveaux de puissance très élevés. Parmi les lasers à l'état solide, les qualités de faisceau les plus élevées sont produites par les lasers à fibre monomode et les lasers à disque mince. Les lasers à fibre utilisent du verre de dioxyde de silicium dopé avec des ions de terres rares tels que l'ytterbium ou le néodyme comme milieu de gain, et les lasers à disques minces utilisent des cristaux de grenat d'aluminium et d'yttrium dopés avec des ions trivalent d'ytterbium. Ces lasers peuvent maintenir une très haute qualité de faisceau, même à des puissances de plusieurs kilowatts. À des niveaux de puissance inférieurs, des lasers à gaz à hélium-néon et des lasers à semi-conducteurs à émission de surface peuvent produire une qualité de faisceau extrêmement élevée.
D'autres composants de la conception du laser sont également importants pour la qualité du faisceau, tels que la taille et la configuration du résonateur optique du laser. Les conceptions qui injectent de la lumière dans le milieu de gain le long du faisceau laser, une technique appelée pompage en bout, produisent une qualité de faisceau supérieure à celle des lasers à pompage latéral. Les nettoyants de mode peuvent être utilisés pour améliorer la qualité du faisceau, soit en le faisant passer dans une fibre monomode, soit en utilisant une lentille pour focaliser un faisceau non collimaté dans un trou d'épingle et dans une seconde lentille qui recolle le faisceau.
La qualité du faisceau dépend également de l'état des composants du laser. La qualité des lasers à semi-conducteurs peut être réduite si la surface de son support présente des défauts qui peuvent provoquer des distorsions et une dispersion du front d'onde. La qualité est également affectée par des composants mal alignés, qui peuvent être causés par des contraintes mécaniques, des changements de température dans l'environnement du laser ou une dilatation thermique due à la chaleur du laser. Les défauts d'objectif peuvent également affecter la qualité.