Le laser
Principes et applications

Sur le corps d'un laser du laboratoire, on peut lire les indications suivantes.

Puissance de sortie : > 0.5 - < 1 mW
Longueur d’onde : 650 nm (red) +/- 3 nm
Stabilité de puissance : +/- 5% en 24 hrs.
Diamètre du faisceau de sortie : 3.0 mm +/- 10%
Divergence : < 2 mrad (diamètre à 5 m < 8 mm)
Polarisation : aléatoire
Temps de montée électronique : 1 s (standard)
Stabilité de la puissance de sortie : 5 minutes (standard)
Alimentation secteur (inclue) : 220 V / 50 Hz to 12 V DC / 50 mA (min)

A quoi correspondent-elles ? Quelles sont les caractéristiques de la lumière laser ?

Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules de nos maisons. Les propriétés de la lumière laser vont être à la base des applications utilisant ce type de lumière.

L'émission stimulée

Un atome, un ion ou une molécule excités (dont l'énergie est supérieure à leur énergie la plus basse) peuvent libérer leur énergie par émission spontanée d'un photon. Cependant, il existe un autre mode d'émission, l'émission stimulée d'un photon prévue par Albert Einstein en 1917.
Décrivons un peu le phénomène. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée émet un photon grâce à la stimulation que provoque l'arrivée d'un photon de même énergie que celui qu'il pourrait potentiellement émettre. La particularité de ce type d'émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction de la trajectoire et phase) que le photon de départ, comme si le second était la copie conforme du premier.

Pour fabriquer la lumière laser, il faut :
Ø un oscillateur laser
Ø une source d'énergie
L'oscillateur est une sorte de boîte en forme de cylindre allongé avec, à chacune de ses extrémités, un miroir. Il contient le milieu laser qui est une collection de particules excitables (atomes, ions ou molécules) se trouvant sous forme de solide, de liquide ou de gaz. Le rubis est un milieu laser solide. Les particules excitables sont les ions chrome.
La source d'énergie fournit assez d'énergie aux particules pour obtenir une inversion de population (plus de particules excitées que de particules non excitées). L'énergie absorbée par les particules du milieu laser pourra être potentiellement libérée sous forme de lumière.

L'émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s'ils étaient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumière laser.

La seule découverte de l'émission stimulée n'a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Il n'est donc pas possible de provoquer assez d'émission stimulée pour produire de la lumière laser.
Il fallait trouver un moyen de renverser la tendance et d'obtenir dans le milieu plus d'atomes (ou ions ou molécules) excités que d'atomes au repos. Ce processus est appelé inversion de population.

Obtenir l'inversion de population, c'est créer plus d'atomes excités que d'atomes non excités.

Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, apporta une solution à ce problème : le pompage optique.
Cette méthode permet de transférer de l'énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis, un cristal d'alumine contenant un léger pourcentage (0,05 %) d'oxyde de chrome. Ces ions chrome absorbent facilement le vert et le bleu (d'où la couleur rouge du rubis) et peuvent être excités en les éclairant avec un flash intense de lumière blanche. Ils émettent ensuite leur énergie sous forme de photons de lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d'onde) de manière stimulée ou non. Les premiers lasers furent donc des lasers à rubis.
Le pompage optique n'est pas la seule façon d'obtenir l'inversion de population. Celle-ci peut être aussi provoquée par décharge électrique, par certaines réactions chimiques...

L'oscillateur laser va servir à produire la lumière.
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler la libération d'un deuxième photon.

Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d'autres libérations de photons et ainsi de suite, jusqu'à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées.

Un peu comme dans une réaction en chaîne, le nombre des photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : c'est la première amplification de la lumière laser.

Pour que le faisceau laser sorte de l'oscillateur laser, l'un des deux miroirs est semi-transparent (une partie de la lumière n'est pas réfléchie par le miroir, elle traverse le miroir comme s'il était transparent).

Lorsque la source d'énergie excite en continu les particules du milieu laser, l'oscillateur produit de la lumière laser en continu. Après une rapide phase de mise en route, le rayon sortant garde une puissance constante.

Si la source d'énergie envoie par intermittence une décharge d'énergie dans l'oscillateur, la lumière laser est produite de manière discontinue, par impulsions très brèves et très intenses. On dit que le laser est impulsionnel. C'est, par exemple, le cas avec le pompage optique où l'énergie est apportée par un flash lumineux comme celui d'un appareil photographique.

La couleur du laser est définie par le choix du milieu laser. Il existe des lasers de toutes les couleurs : rouge, bleu, vert... Certains lasers sont même faits de lumière invisible comme les ondes infrarouges ou ultraviolettes. Les multiples couleurs des lasers font la beauté des spectacles laser. Quelques exemples de lasers sont donnés dans le tableau suivant.

La plupart des lasers ne peuvent émettre que sur une seule longueur d'onde. Il existe cependant des lasers dont on peut régler la longueur d'onde. On dit qu'ils sont accordables. Les principaux sont les lasers à colorant. Leur milieu laser est un liquide contenant un colorant, particule excitable. Les molécules de colorant, une fois excitées, ont la particularité d'émettre sur un grand intervalle de longueurs d'ondes. Des réglages optiques très précis vont sélectionner la longueur d'onde désirée.
Or l'excitation d'un atome est, en fait, un changement de niveau d'énergie pour l'électron. Quand l'électron a capté assez d'énergie apportée par des lasers à colorant, il quitte l'entourage de l'atome qui devient alors un ion.

Dans le cas des lasers continus, l'étendue des puissances de sortie va du mW à 50 kW. Le plus gros laser industriel d'Europe a été implanté à Yutz-Thionville en 1994. Il s'agit d'un laser CO2 (dioxyde de carbone) dont la puissance de sortie continue est de 45 kW. Il est dédié à des applications de soudage sur une forte épaisseur.

Dans le cas des lasers impulsionnels, il faut distinguer :
- la puissance moyenne de sortie, qui tient compte également des intervalles de temps entre chaque impulsion ;
- la puissance de crête, qui est la puissance atteinte lors de l'impulsion.
Par exemple, un laser de un watt donnant sa lumière de façon continue aura une puissance de 1 joule/s, mais s'il concentre une énergie de un joule en une décharge lumineuse d'une milliseconde, sa puissance de crête va être multipliée par mille et sera de un kilowatt. Le fait de délivrer leur énergie sur des temps très courts (nanoseconde voire picoseconde) permet pour certains lasers d'étude d'atteindre des puissances de crête extrêmement élevées (jusqu'à plusieurs térawatts).

Plus modeste, un laser industriel dédié au soudage, de puissance moyenne 1 kW, pourra disposer d'une puissance de crête de 25 kW.

La cohérence du laser dans le temps et dans l'espace regroupe les propriétés d'unidirectionnalité et de monophase. Elle est souvent à la base des applications potentielles des lasers. C'est la cohérence du laser, par exemple, qui va permettre la lecture des disques laser.

La propagation d'une onde lumineuse est parfaitement rectiligne. Or, comme toutes les ondes du laser se propagent dans la même direction, un faisceau laser n'est pas divergent comme la lumière d'une lampe de poche, par exemple. Il est parfaitement rectiligne et visible sur de grandes distances. Cette propriété est utilisée lors des spectacles laser où le rayon lumineux se poursuit loin dans l'espace ou bien pour l'alignement des tracés de routes et de tunnels... Ainsi, un laser a été utilisé lors de la construction de la tour Montparnasse.

Un laser a permis de calculer la distance Terre-Lune.
Les lasers servent aussi dans la télémétrie, c'est-à-dire la mesure de distance. Le faisceau laser atteint une cible qui le renvoie en sens inverse. La vitesse de la lumière étant connue, il est possible, en mesurant le temps mis par le faisceau laser pour faire l'aller et le retour, de connaître la distance séparant la source laser d'un obstacle. Cette méthode a même permis le calcul de la distance Terre-Lune

Les diamètres des faisceaux émis par les lasers (plusieurs dizaines de mm pour les lasers de puissance industriels) ne permettent pas, le plus souvent, une utilisation directe de ces faisceaux. La focalisation permet d'augmenter considérablement l'éclairement qui se définit en nombre de watts par centimètre-carré, (W / cm²). Par exemple, l'éclairement du soleil peut atteindre 0,1 W / cm² . Une loupe qui focalise la lumière du soleil peut permettre d'atteindre un éclairement de 100W / cm², ce qui suffit pour enflammer du papier.

Pour les lasers, la focalisation peut être obtenue par des systèmes optiques à lentilles si les flux et/ou la longueur d'onde du faisceau le permettent, ou par des dispositifs à miroirs, ce qui est un cas courant.
La focalisation est, par exemple, indispensable pour les opérations industrielles de perçage, soudage et découpe. Elle est aussi utile pour les lasers de puissance utilisés par les chercheurs pour étudier l'interaction très forte lumière-matière.

A contrario, on peut être amené à limiter et/ou homogénéiser l'éclairement. C'est le cas des opérations de traitement de surfaces.

Les lasers sont des outils souvent indispensables pour de nombreuses applications, mais il ne faut pas en oublier les dangers.
Leur utilisation peut présenter des risques pour l'homme en fonction de la puissance du laser. L'oeil est l'organe le plus fragile vis-à-vis de la lumière laser. En effet, si le faisceau laser est dirigé dans l'oeil, celui-ci focalise le faisceau laser, ce qui augmente l'éclairement sur la rétine. Cette dernière peut alors être endommagée même avec des lasers de faible puissance (dès 1 mW).

Principales utilisations (en fonction de leur puissance)

En savoir plus, sur le site du CEA. Un présentation accessible à tous !

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