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Laser
Rayon laser à travers un dispositif optique
Rayon laser à travers un dispositif optique

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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) par émission stimulée de rayonnement "). La plupart des amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...). 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 (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.).

Une source laser associe un amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) imposent que le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) 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 (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un...) de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) d'une seule longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte...).

Au XXIe siècle, le laser est plus généralement vu comme une source possible pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.), dont fait partie la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.). Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.), du visible, de l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) et commencent même à s'appliquer aux rayons X.

Principe de fonctionnement du laser: 1) milieu excitable 2) énergie de pompage 3) miroir totalement réfléchissant 4) miroir semi-réfléchissant 5) faisceau laser.
Principe de fonctionnement du laser:
1) milieu excitable
2) énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à des ondes longitudinales. Une...)
3) miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est...) totalement réfléchissant
4) miroir semi-réfléchissant
5) faisceau laser.

Phénomènes en jeu

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) : 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) ne possédant qu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants...), 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un état n à un état n' > n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) du rayonnement (d'énergie \hbar\omega) faisant passer l'atome du niveau d'énergie En vers le niveau d'énergie En'. La condition de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système n'est...) 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) 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 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 égale 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 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 ωnn'. Ainsi un rayonnement de fréquence \omega\simeq\omega_{nn'} 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 (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) 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 (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) " branchée " sur l'entrée (le micro). Alors un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) très faible capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur (Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. On emploie parfois aussi ce terme pour désigner...), 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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 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 (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et enfin...). En 1950, Alfred Kastler (Alfred Kastler est un physicien alsacien, né le 3 mai 1902 à Guebwiller et décédé le 7 janvier 1984 à Bandol.) (Prix Nobel de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) 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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) 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 (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des...) 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 (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot...) américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon...) de rubis (Le rubis est la variété rouge de la famille minérale corindon. Sa couleur est causée principalement par la présence d'oxyde de chrome (les autres...). Un an plus tard, Ali Javan met au point (Graphie) un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...) et de 2 mm de profondeur dans du diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est le plus dur...). Cette opération était réalisée en 15 min, alors qu’une application classique prenait 24 heures (L'heure est une unité de mesure  :).[1]

En 1967, Peter Houlcroft découpe 2,5 mm d’acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports,...) à une vitesse (On distingue :) 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 (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) à l’intérieur d’un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans...) suite à une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) 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 (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) courant qu'en 1982 avec le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus...) 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)

Cristal de titane saphir pompé par un laser vert.
Cristal de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse) pompé par un laser vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante est axée sur cette fréquence....).

Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) n'est que la matrice et doit être dopé par un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) 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 (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), 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 (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre...) et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) dans le cas des lasers à fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) (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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.).

À colorants (moléculaires)

Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés...) (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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) 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 (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux...) 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 (Le mot monde peut désigner :) .

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 (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un...) afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein...) 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 (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") 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 (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un...) de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser.

C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) 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 (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.) et la lumière, d'où les applications en télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel...) (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 (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) 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 (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) 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 (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) 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 (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) laser peut être également ajustée par le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...). Il est cependant plus coûteux à produire.

À fibre

Le laser à fibre est le dernier né de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) laser. Sa conception est assez révolutionnaire, car le milieu actif est une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle...) dopée avec un ion de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) 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 (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) 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

Symbole de danger
Symbole de danger
Laser vert classe IIIb contre classe IIIa
Laser vert classe IIIb contre classe IIIa

Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) et provoquer des brûlures irréparables de la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur couvrant environ 75 % de la...).

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 (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par...) 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

  • Absorption à deux photons
  • Armes anti-satellite, anti-missile, incapacitantes... (Boeing YAL-1 ; IDS dit Programme StarWars)
  • Désignateur laser de cibles lors d'attaques aériennes
  • Caractérisations de matériaux
  • Étude de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) (Lidar)
  • Fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du...) controlée
  • Fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée...) superficielle de matériaux (Ablation laser)
  • Granulométrie et vélocimétrie
  • Holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du...)
  • Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP)
  • Lecture et enregistrement de support optique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite « analogique » qui...) (CD, DVD (Le DVD officiellement Digital Versatile Disc - même si d'autres dénominations sont employées - est un disque optique numérique exploité pour...), Laser Disc…)
  • Mesure de distance (télémétrie par interférométrie)
  • Médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal...) (ophtalmologie, dermatologie (La dermatologie est la branche de la médecine qui s'occupe de la peau, des muqueuses et des phanères (ongles, cheveux, poils). Elle est associée...)...)
  • Physiothérapie (débridement)
  • Refroidissement d'atomes par laser
  • Spectacle " son et lumière "
  • Télécommunications via réseaux de fibres optiques
  • Transmission inter-satellitaire
  • Usinage et traitement des matériaux (perçage, découpe, soudure...)
  • Vibrométrie

Notes et références

  1. J. Wilson et J. F. B. Hawkes, Laser principles and Application, International Series in Optoelectronics, 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 (HERMES se base sur le V-Modell allemand (en.wikipedia pour l'instant) [(lien)]. HERMES a été conçu par l'administration fédérale suisse et est en développment constant. (*voir la section (sur en.wikipedia)).).
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