Laser

«Laser» est l'acronyme anglais de «Light Augmentcation by Stimulated Emission of Radiation». L'effet laser est un principe d'augmentcation cohérente de la lumière par émission stimulée.

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  • L'émission stimulée agit par conséquent comme une duplication de la lumière.... “La lumière laser se compose de photons qui possèdent strictement les mêmes... (source : cea)
  • Imaginé à partir d'une idée d'Einstein en 1917, le laser est devenu un outil... en français : augmentcation de lumière par émission de radiation stimulée).... (source : savoirs.essonne)
  • Laser est l'abréviation de l'expression "augmentcation de lumière par une émission stimulée de radiation". C'est un appareil qui émet une forme spécifique... (source : fr.tech-faq)
Rayon laser à travers un système optique
Démonstration de laser hélium-néon au laboratoire Kastler-Brossel à l'Université Pierre et Marie Curie.
Principe de fonctionnement du laser : 1 - milieu excitable 2 - énergie de pompage 3 - miroir complètement réfléchissant 4 - miroir semi-réfléchissant 5 - faisceau laser

«Laser» est l'acronyme anglais de «Light Augmentcation by Stimulated Emission of Radiation» (en français, «augmentcation de la lumière par émission stimulée de rayonnement»). L'effet laser est un principe d'augmentcation cohérente de la lumière par émission stimulée. La majorité des amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser. Une source laser est une source de lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l'effet laser. Par extension, on nomme laser une source de lumière basée sur l'effet laser. Descendant du maser, il s'est en premier lieu nommé maser optique.

Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, toujours nommée résonateur, le plus souvent constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des deux est partiellement réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extrêmement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent que le rayonnement émis soit d'une grande pureté spectrale, c'est-à-dire temporellement cohérent. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies particulièrement fines, à des longueurs d'ondes définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'émission spontanée au sein de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde.

Au XXIe siècle, le laser est d'une façon plus générale vu comme une source envisageable pour tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière visible. Les longueurs d'ondes concernées étaient en premier lieu les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et débutent même à s'appliquer aux rayons X.

Phénomènes mis en jeu

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est indispensable d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les «couches»). Cette hypothèse est principale et non intuitive : si on considère l'image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.

Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron, pour simplifier la discussion. Ce dernier est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n, pouvant prendre les valeurs 1, 2, ... L'état n = 1 est par conséquent l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau.


Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée.

  • L'absorption. Quand il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n à un état n'> n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement ω doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par \hbar\omega_{nn'}=(E_{n'}-E_n), où En' > En sont les énergies des états n' et n. On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie \hbar\omega=h\nu) faisant passer l'atome du niveau d'énergie En vers le niveau d'énergie En'. La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.
  • L'émission stimulée. Ce processus est le symétrique du précédent : un atome dans l'état n' peut se «désexciter» vers le niveau n sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors augmentée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est envisageable que si la fréquence du rayonnement ω est proche de la fréquence de Bohr ωnn'. On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie \hbar\omega qui vient s'«ajouter» au rayonnement.
  • L'émission spontanée. Un atome dans un état excité n' peut se désexciter vers un état n, même en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire, et sa fréquence est identique à la fréquence de Bohr ωnn'. On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie \hbar\omega_{nn'} dans une direction aléatoire.

Fonctionnement

Un laser est principalement un amplificateur de lumière (fonctionnant grâce à l'émission stimulée) dont la sortie est branchée sur l'entrée.

L'amplificateur est un ensemble d'atomes ou molécules qu'on «pompe» dans un état excité n', au moyen d'une source d'énergie extérieure (par exemple un générateur électrique, ou un autre laser... ). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n, en émettant des photons de fréquence autour de ωnn'. Ainsi un rayonnement de fréquence \omega\simeq\omega_{nn'} passant à travers ce milieu peut être augmenté par des processus d'émission stimulée. Il peut aussi être absorbé : il n'y aura augmentcation que si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état n' (susceptible d'émettre) que dans l'état n (susceptible d'absorber)  : il est indispensable d'avoir une «inversion de population».

Le rayonnement sortant de cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui forment une «cavité» (où la lumière est piégée). Bien sûr, un système (comme un miroir partiellement réfléchissant) permet d'extraire de la lumière de ce dispositif, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement originellement présent dans le dispositif va être augmenté une première fois, puis rebouclé, puis réaugmenté, etc. On peut ainsi construire un rayonnement extrêmement important, même à partir d'un rayonnement extrêmement faible (comme un seul photon émis spontanément dans la cavité).

On peut comparer ce processus à l'effet Larsen, qui se produit quand un amplificateur (la chaîne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) «branchée» sur l'entrée (le micro). Alors un bruit particulièrement faible capté par le micro est augmenté, émis par le haut-parleur, capté par le micro, réaugmenté, et ainsi de suite... Évidemment l'intensité du son ne croît pas indéfiniment (tout comme l'intensité de la lumière dans un laser)  : l'amplificateur a des limites (il existe un volume maximum du son pouvant être produit). La fréquence du son émise par ce procédé est spécifique et dépend de l'amplificateur mais aussi de la distance entre le haut-parleur et le micro : il en est de même pour un laser.

Historique

Coupe d'un laser rubis

Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. En 1950, Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qui est validé expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard. Mais ce n'est qu'en 1953 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. Townes, Basov, et Prokhorov partagent le Prix Nobel de Physique en 1964 pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui mènent à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du Maser-Laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide.

Les lasers trouvent particulièrement tôt des débouchés industriels. La première application fut réalisée en 1965 et consistait à usiner un perçage de 4, 7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant avec un laser à rubis. Cette opération était réalisée en 15 min, tandis qu'une application classique prenait 24 heures. [1]

En 1967, Peter Houlcroft découpe 2, 5 mm d'acier inoxydable à une vitesse de 1m/min, sous di-oxygène avec un laser CO2 de 300 W [2] et conçoit la première tête de découpe.

Dans la même période en 1963 des chercheurs américains tels que White et Anderholm montrent qu'il est envisageable de générer une onde de choc à l'intérieur d'un métal suite à une irradiation laser impulsionnelle. Les pressions exercées sont de l'ordre de 1 GPa.

Bien que les procédés soient démontrés, il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu'ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 1970. Et les premières plates formes industrielles sont implantées en France dès les années 80. [3] Par conséquent le laser s'impose comme un outil de production industriel dans le micro-usinage. Ses principaux avantages sont un usinage à grande vitesse de l'ordre de 10 m/min, sans contact, sans usure d'outil.

Le laser devient un moyen de lecture en 1974, avec l'introduction des lecteurs de codes barres. En 1978, les laserdiscs sont introduits, mais les disques optiques ne deviennent d'usage courant qu'en 1982 avec le disque compact. Le laser permet alors de lire un grand volume de données.

Différents types de laser

Icône de détail Article détaillé : Liste des différents types de laser.

On classe les lasers selon six familles, selon la nature du milieu excité.

Cristallins (à solide, ou ioniques)

Cristal de titane saphir pompé par un laser vert.

Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion Cr3+. D'autres ions sont particulièrement utilisés (la plupart des terres rares : Nd, Yb, Pr, Er, Tm..., le titane et le chrome, entre autres). La longueur d'onde d'émission du laser dépend principalement de l'ion dopant, mais la matrice influe aussi. Ainsi, le verre dopé au néodyme n'émet pas à la même longueur d'onde (1053 nm) que le YAG dopé au néodyme (1064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes --millionnième de millliardième de seconde). Ils sont capables d'émettre autant dans le visible, le proche infrarouge que l'ultraviolet.

Le milieu amplificateur peut être un barreau dans le cas d'un laser Nd-YAG (donc dopé au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre (donc dopé au Yb et la matrice est en silice). Actuellement, le milieu amplificateur le plus utilisé pour générer des impulsions femtosecondes est le saphir dopé titane. Il possède deux bandes d'absorption centrées à 488 et 560 nm. Il possède un large spectre d'émission centré à 800 nm.

Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable, ces lasers permettent d'obtenir des puissances de l'ordre du kW en continu et du GW en pulsé. Ils sont utilisés pour des applications tant scientifiques qu'industrielles, surtout pour le soudage, le marquage et la découpe de matériaux.

À colorants (moléculaires)

Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant organique (rhodamine 6G par exemple) en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut autant être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées avec un prisme régulateur, ce qui rend ce type d'appareil particulièrement précis. Le choix du colorant détermine principalement la gamme de couleur du rayon qu'il émettra. La couleur (longueur d'onde) exacte peut être reglée par des filtres optiques.

À gaz (atomiques ou moléculaires)

Le milieu générateur de photons est un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est spécifiquement étroit et la fréquence d'émission est particulièrement peu étendue. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium-néon (rouge à 632, 8 nm), utilisés dans les dispositifs d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles.

Les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de particulièrement fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 106 W. C'est le marquage laser le plus utilisé dans le monde. Le laser CO2 (infrarouge à 10, 6 µm) peut être, par exemple, utilisé pour la gravure ou la découpe de matériaux.

Il existe aussi une sous-famille des lasers à gaz : les lasers excimer qui émettent dans l'ultra-violet. Dans la majorité des cas, ils sont composés d'au moins un gaz halogène et aussi quelquefois d'un gaz rare. Le terme «excimer» vient du mot anglais dimer qui veut dire que les molécules sont composées de deux atomes semblables (ex.  : F2). Or les lasers excimer utilisent des molécules composées de deux atomes différentes (gaz rare et halogène, par exemple, ArF) qui ne restent ensemble qu'à l'état excité. Malgré cette différence, les physiciens les nomment laser excimer. L'excitation électrique du mélange d'halogène et de gaz rare produit ces molécules excimers. Après émission du photon, l'excimer disparait car ses atomes se séparent, par conséquent le photon ne peut être réabsorbé par l'excimer ce qui permet un bon rendement au laser.

À semi-conducteurs (ioniques) - diodes laser - VCSEL

Ces lasers sont essentiellement constitués d'une diode à semi-conducteur pour produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait avec un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous d'un côté et en électrons de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Fréquemment, ce type de laser ne présente pas de miroirs de cavité : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un cœfficient de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser.

C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaire) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : dans un premier temps, il permet un couplage direct entre l'énergie électrique et la lumière, d'où les applications en télécommunications (à l'entrée des réseaux de fibres optiques). De plus, cette conversion d'énergie se fait avec un bon rendement (de l'ordre de 30 à 40 %). Ces lasers sont peu coûteux, particulièrement compacts (la zone active est micrométrique, ou alors moins, et la totalité du système a une taille de l'ordre du millimètre). On sait désormais fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur presque tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilisés et les moins coûteux. Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), télécommunications, imprimantes, systèmes de «pompage» pour qui plus est gros lasers (de type lasers à solide), pointeurs, etc. Noter que la réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres.

Quelques bémols tout de même, la lumière émise est généralement moins directionnelle et moins «pure» spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz surtout). Ce qui n'est pas un problème dans la majorité des applications.

Un système particulièrement proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL : le système de pompage est le même, mais la production de lumière n'est pas stimulée, elle est produite par désexcitation spontanée, de sorte que la lumière produite ne présente pas les propriétés de cohérence caractéristique du laser.

À électrons libres (LEL)

Ce type de laser est particulièrement spécifique, car son principe est particulièrement différent de celui exposé plus haut. La lumière n'y est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un rayonnement synchrotron produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique périodique (grâce à un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est positionné entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est augmenté et devient cohérent, c'est-à-dire qu'il prend les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers.

Il suffit de régler la vitesse des électrons pour apporter une lumière de fréquence ajustée particulièrement finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge lointain (térahertz) aux rayons X, et la puissance laser peut être aussi ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux élevés. On peut aussi disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser particulièrement polyvalent, et particulièrement utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus coûteux à produire car il est indispensable de construire un accélérateur de particules.

À fibre

Le laser à fibre est le dernier né de la technologie laser. Sa conception est assez révolutionnaire, car le milieu actif est une fibre optique dopée avec un ion de terre rare qui est essentiellement l'ytterbium. Ce laser possède énormément les mêmes longueurs d'onde que le laser YAG. Cependant, il est plus compact et consomme nettement moins d'énergie. Il a aussi une meilleure qualité de faisceau, le diamètre de ce dernier étant plus faible, il a par conséquent une meilleure résolution pour des applications de marquage.

D'autres point forts intéressants :

- Des puissances de faisceau jusqu'à 50 KW sont envisageable (IPG[4])

- La maintenance de ce type de laser est minimum (pas de lampes flash, pas de diode à changer)

Sécurité

Symbole de danger
Laser vert classe IIIb contre classe IIIa

Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, ce dernier peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine.

Classe I 
Lasers qui ne sont pas dangereux pour une vision en continu ou sont fabriqués pour éviter une vision humaine. Cela concerne typiquement des lasers de faible puissance ou des lasers dans des boîtiers (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD).
Classe II 
Lasers émettant une lumière visible causant une gêne suffisante à l'œil, ne représentent pas un danger pour de courtes périodes. Ceux-ci peuvent être assimilés à une source de lumière intense.
Classe IIa 
Lasers émettant une lumière visible n'étant pas faite pour être vue et ne devant pas causer de dommages en cas de vue directe pendant moins de 1000 secondes (par exemple, des lecteurs de code-barres).
Classe IIIa 
Lasers qui ne devraient pas normalement être dangereux si vus provisoirement, mais pourraient présenter un danger si vus à travers des appareils optiques focalisants (exemples : loupes et télescopes).
Classe IIIb 
Lasers qui présentent un danger si vus directement, et peuvent causer des brûlures, autant directement que par réflexion, mais pas par diffraction autre qu'à courte distance.
Classe IV 
Lasers qui représentent un danger autant par vue directe que par réflexion et diffraction. Peuvent aussi causer des incendies.

Applications

Les applications lasers utilisent les propriétés de cohérence spatiale et temporelle du laser. Elles peuvent être classées plus ou moins selon la réflexion ou de l'absorption du laser. Ainsi, deux grandes familles apparaissent, celle contenant des applications de transfert d'information, et celle traitant d'un transfert de puissance.

Transfert d'information


Transfert de puissance


Procédés laser et matériaux


Applications Médicales

Nucléaire


Applications militaires


Artistique

Notes et références

  1. J. Wilson et J. F. B. Hawkes, Laser principles and Application, Mondial Series in Optœlectronics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 194.
  2. P. A. Hilton (2002), In the Beginning…, Intnl Congrs on Appl on Application of Lasers and Electro-Optics (ICALEO'2002), Scottdales, USA
  3. B. Vannes, Les lasers de puissance, Hermes.
  4. http ://www. ipgphotonics. com/products_1micron_lasers_cw_ylr-hpseries. htm [archive]
  5. Laser artistique [archive] L'illusion avec le laser

Voir aussi

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