Laser - Définition

L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Laser est l'acronyme anglais de " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation " (en français, " amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement "). La plupart 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 appelle laser une source de lumière basée sur l'effet laser. Descendant du maser, il s'est d'abord appelé maser optique.

Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, encore appelée résonateur, généralement 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 très 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 XXI^e siècle, le laser est plus généralement vu comme une source possible pour tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière visible. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent même à s'appliquer aux rayons X.

Phénomènes en jeu

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les " couches "). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l'on considère l'image selon laquelle les électrons orbitent autour du noyau, cela revient à dire qu'ils ne peuvent se trouver que sur certaines orbites bien précises.

Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron, pour simplifier la discussion. Celui-ci 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 donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'" orbite " la plus proche du noyau.

Il n'est pas indispensable de quantifier la lumière (c'est-à-dire de parler de photon) pour expliquer qualitativement le fonctionnement d'un laser, même si cela s'avère indispensable pour expliquer le concept d'émission spontanée. Nous parlerons quand même de photons lorsque cela fournit une image facilitant la compréhension des concepts évoqués.

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. Lorsqu'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 , où E_n' > E_n sont les énergies des états n' et n. On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie E_n vers le niveau d'énergie E_n'. 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 amplifiée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est important que si la fréquence du rayonnement ω est proche de la fréquence de Bohr ω_nn'. On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie 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 égale à la fréquence de Bohr ω_nn'. On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie dans une direction aléatoire.

Fonctionnement

Un laser est fondamentalement 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 que l'on " pompe " dans un état excité n', au moyen d'une source d'énergie extérieure (par exemple avec un autre laser...). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n, en émettant des photons de fréquence autour de ω_nn'. Ainsi un rayonnement de fréquence passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d'émission stimulée. Notons qu'il peut également être absorbé : il n'y aura amplification 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 nécessaire d'avoir une " inversion de population ".

Le rayonnement sortant de cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui constituent une " cavité " (où la lumière est piégée). Bien sûr, un dispositif (comme un miroir partiellement réfléchissant) permet d'extraire de la lumière de ce système, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis réamplifié, 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 lorsqu'un amplificateur (la chaîne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) " branchée " sur l'entrée (le micro). Alors un bruit très faible capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, réamplifié, et ainsi de suite... Bien sûr 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). Notons que la fréquence du son émise par ce procédé est bien particulière, et dépend de l'amplificateur, de la distance entre le haut-parleur et le micro : il en est de même pour un laser.

Historique

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.

L’une des toutes premières applications industrielles du laser, réalisée en 1965 par un laser à rubis, consistait à usiner un perçage de 4,7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant. Cette opération était réalisée en 15 min, alors 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 possible de générer une onde 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 70. Et les premières plates formes industrielles sont implantées en France dès les années 80.^[3]

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.

Différents types de laser

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

Cristallins (à solide,ou ioniques)

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 très 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 essentiellement 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 aussi bien 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). Aujourd'hui, 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, en particulier 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 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 essentiellement la couleur du rayon qu'il émettra.

À gaz (atomiques ou moléculaires)

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) de l'ordre de 10⁶ W. C'est le marquage Laser le plus utilisé dans le monde .

Exemples : le laser CO₂ (infrarouge, à 10,6 µm) et le laser He-Ne (rouge, à 632,8 nm).

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 parfois d'un gaz rare. Le terme "excimer" vient du mot anglais "dimer" qui signifie que le gaz est composé de deux molécules identiques (ex: F₂). Or certains lasers excimer sont composés de deux molécules différentes (gaz rare et halogène ex: ArF), nous devrions les appeler "exciplex". Mais par abus de langage, les physiciens leur prêtent le nom de laser excimer. Voir l'article wiki en anglais en:excimer laser.

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

Ces lasers sont principalement constitués d'une diode à semi-conducteur afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'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. Souvent, 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 coefficient 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 : tout d'abord, 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, très compacts (la zone active est micrométrique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment 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, dispositifs de " pompage " pour de plus 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 en général moins directionnelle et moins " pure " spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz en particulier). Ce qui n'est pas un problème dans la majorité des applications.

Un dispositif très proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL : le dispositif 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 très particulier, car son principe est tout à fait 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 placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifié et devient cohérent , c’est-à-dire qu'il acquiert les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers.

Il suffit de régler la vitesse des électrons pour fournir une lumière de fréquence ajustée très finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux élevés. On peut également disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus coûteux à produire.

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 principalement l'ytterbium. Ce laser possède sensiblement les mêmes longueurs d’onde que le laser YAG. Cependant, il est plus compact, plus stable et n'a pas besoin de mode de refroidissement. Il a également une meilleure qualité de faisceau, le diamètre de ce dernier étant plus faible, il a donc une meilleure résolution pour des applications de marquage.

Sécurité

Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci 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 temporairement, 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, aussi bien directement que par réflexion, mais pas par diffraction autre qu'à courte distance.

Classe IV 

Lasers qui représentent un danger aussi bien par vue directe que par réflexion et diffraction. Peuvent également causer des incendies.

Applications

Notes et références