Laser
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Laser est l'acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations). Il est le descendant du maser, acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation et s'est d'abord appelé maser optique.
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Introduction
Le Laser est un dispositif qui amplifie la lumière (et plus généralement tout rayonnement électromagnétique). Une source Laser associe un amplificateur à une cavité optique généralement constituée de deux miroirs, dont un à fuite émet le faisceau. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent la géométrie du faisceau émis, toujours très directif (peu divergent) et, spatialement et temporellement, cohérent. Ainsi la lumière laser est extrêmement directionnelle. De plus le rayonnement émis est d'une grande pureté puisqu'il ne contient qu'une longueur d'onde précise imposée par le milieu amplificateur. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (masers) puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et on commence même à les appliquer aux rayons X.
Principe du laser
La matière est formée d'atomes, eux-mêmes constitués d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour. Pour simplifier, les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergies (« couches ») caractérisés par « un » nombre quantique n (nombre entier naturel supérieur ou égal à 1). Plus n est petit (proche de 1) et plus les électrons sont proches du noyau avec un niveau d'énergie élevée dans les négatifs. (Cette énergie est négative car l'électron est lié au noyau, lorsqu'il est indépendant sont énergie est positive ou nulle.)
Du point de vue atomique, il existe trois types de réactions photoniques possibles : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée.
Dans le premier cas, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et un de ses électrons atteint alors le niveau d'énergie supérieur ; l'atome est alors dans un état dit excité. Le deuxième cas est la situation inverse. Un atome excité retombe spontanément à un état stable. Son électron qui avait changé de niveau d'énergie revient à son niveau initial (d'énergie plus grande dans les négatifs) en émettant de la lumière (donc un photon). Enfin, dans le dernier cas, un photon incident pendant la désexcitation d'un atome provoque l'émission d'un autre photon qui a les mêmes caractéristiques (longueur d'onde, direction et phase) que celui qui était présent au départ (même état vibratoire des deux photons). On obtient donc deux photons identiques.
Le principe de la source laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission stimulée de photons et enfin à accumuler le rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes, qui forment ce qu'on appelle une cavité résonante, avant de le relâcher sous forme de faisceau. Pour cela, un laser possède un réservoir d'électrons (ce réservoir peut être solide, liquide ou gazeux) associé à une source excitante qui « pompe » les électrons à de hauts niveaux d'énergies. Dans un second temps, un photon est injecté dans le milieu ce qui produit, pendant la désexcitation d'un des électrons, un deuxième photon identique. Ces deux photons produisent à leur tour deux autres photons identiques pendant la désexcitation de deux électrons de deux autres atomes. C'est quatre photons ... C'est une réaction en chaine. Deux miroirs, dont l'un semi réfléchissant, situés aux extrémités du laser se renvoient les photons émis, donc la réaction en chaine ne s'arrète pas lorsqu'on arrive au bout du réservoir d'électron, on les renvoie dans le réservoir et la chaine se poursuit dans l'autre sens. Ainsi la lumière se densifie à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit libérée par le miroir partiellement transparent à l'extrémité du dispositif. Pour certaines applications très énergétiques, le faisceau émis traverse des amplificateurs complémentaires associés à des dispositifs optiques complexes permettant des expériences scientifiques de recherche fondamentale, ou des applications industrielles (soudure, découpe, gravure...).
Il faut savoir que l'émission d'un faisceau continu est plus difficile à obtenir que l'émission par impulsions.
Historique
Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. Mais ce n'est qu'en 1954 que le premier maser (maser au gaz ammoniac) est conçu par J.P. Gordon, H.J. Zeiger et Ch.H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N.G. Bassov, A.M. Prokhorov, A.L. Schawlow et Ch.H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtint pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard Ali Javan mit au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin alias Peter Pan construisit le premier laser à liquide. Ironie de l'histoire, Townes, Bassov, Schawlow et Prokhorov reçurent un prix Nobel en 1964 pour leurs travaux en commun alors que Maiman, véritable inventeur du laser, ne reçut aucun prix.
Le laser resta un moment, une invention sans application pratique.
Différents types de laser
On classe les lasers selon cinq familles, en fonction de la nature du milieu excité.
Lasers à solide
Les lasers à solide utilisent des cristaux comme milieu d'émission des photons (le plus connu est le laser à rubis). Ce sont les lasers les plus puissants. Ils fonctionnent de manière impulsionelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible que dans l'Ultra Violet, l'Infra Rouge ou les rayons X. Exemple : le laser Nd : Yag (Infra Rouge 1064 nm) (Le Nd = Néodyme est l'atome actif inlus dans une matrice cristalline de YAG = Yttrium-Aluminium-Grenat). Au delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable, les amplificateurs ont un milieu amplificateur à verre spécial dopé au Nd travaillant à la même longueur d'onde.
Lasers à colorants
Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant inorganique en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur ce qui rend ce type d'appareil très précis. Le choix du colorant détermine le domaine de longueur d'onde de la source.
Lasers à gaz
Le milieu générateur de photons est ici un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très pure. Les exemples les plus connus sont les lasers à Hélium-Néon qui sont utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles.
À noter que les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en impulsion).
Exemple : le laser CO2 (Infra-Rouge, à 10,6 µm), He-Ne (Rouge, à 632,8 nm).
Lasers à semi-conducteurs - diode laser
Les lasers à semi-conducteurs utilisent principalement des diodes afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous et en électrons. Le faisceau est produit par la recombinaison des trous et des électrons. Ce sont les lasers les plus petits, c'est pour cela qu'ils sont utilisés pour les imprimantes, les lecteurs optiques et les présentations. La réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres.
Lasers à électrons libres (LEL)
Ce type de lasers utilise un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons. Le faisceau d'électrons passe dans un onduleur, qui est un assemblage d'aimants permanents, créant un champs magnétique périodique. Cet onduleur est placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel. Le rayonnement synchrotron, qui est produit par les électrons dans l'onduleur, est amplifié et devient cohérent , c’est-à-dire qu'il acquière les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers . Les lasers à électrons libres sont principalement utilisés pour la recherche car leurs fréquences peuvent être ajustées sur une très large gamme, allant de l'infrarouge aux rayons X, et ils fournissent en général une puissance laser assez élevée.
Applications
- Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc…)
- Mesure de distance (télémétrie)
- Médecine (ophtalmologie...)
- Usinage et traitement des matériaux (découpe, soudure...)
- Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP).
- Télécommunications via réseaux de fibres optiques
- Caractérisations de matériaux
- Fusion nucléaire controlée
- Holographie
- Spectacle « son et lumière »
- Transmission inter-satellitaire
- Refroidissement de plasmas
- l'absorption à deux photons