Le Laser

Généralités

Les lasers sont très utilisés dans le monde du divertissement de nuit. En effet, nombreux sont les jeux de lumière qui les utilisent et qui permettent d'installer une ambiance particulière. Cependant, leur mise en place est réglementée car les spectateurs ne doivent pas avoir le faisceau lumineux dans les yeux sous peine de brûlure de la rétine.

Le laser tient son nom d'un acronyme anglais signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. On peut alors comprendre qu'il correspond à un système photonique. De façon plus précise, le laser correspond à un appareil produisant un rayonnement lumineux qui est spatialement mais aussi temporellement cohérent et basé sur l'effet laser. Puisque le laser descend du maser, on peut également l'appeler maser optique.

Dans une source laser, on trouve un amplificateur optique basé sur l'effet laser qui est associé à une cavité optique également appelée résonateur qui, de façon générale, est constitué de deux miroirs dont l'un des deux est partiellement réfléchissant. Cela signifie alors qu'une partie de la lumière va sortir de la cavité tandis que l'autre partie se de nouveau injectée vers l'intérieur de la cavité laser.

De ce fait, si la source laser possède une longue cavité, la lumière laser peut alors être extrêmement directionnelle. Ainsi, les caractéristiques géométrique de l'ensemble constituant la source imposent que le rayonnement émis soit d'une importante pureté spectrale. Cela signifie qu'il doit être temporellement cohérent. Cela a pour effet que le spectre du rayonnement contient un ensemble discret de raie qui restent très fine et présentes à des longueurs d'ondes qui sont définies par la cavité mais aussi par le milieu amplificateur. Pour ce qui est de la finesse des raies, celle-ci est limité par la stabilité de la cavité mais aussi par l'émission spontanée au sein de l'amplificateur, on parle de bruit quantique.

Caractéristiques

Le laser est un oscillateur optique qui peut être décrit en terme de système bouclé auto-oscillant.

  • Signal : Champ électrique d'une onde électromagnétique
  • Bouclage : par réflexions optiques (cavité)
  • Amplification :
    • Rappel :
      • émission spontanée d'une onde électromagnétique par un atome lors du passage pour un électron d'un niveau d'énergie à un niveau plus faible.
      • absorption d'une onde électromagnétique par un atome lors du passage pour un électron d'un niveau d'énergie à un niveau plus élevé.
      • Lien entre rayonnement (onde émise ou reçue) et transition énergétique :  ΔE = hν.
    • Emission stimulée :
      • Proportionnalité du processus avec le nombre d'électrons sur un niveau.
      • Etat naturel : remplissage des couches d'énergie les plus faibles, donc l'absoption l'emporte sur l'émission -> le milieu est absorbant.
      • Etat stimulé par inversion de population (pompage optique) : l'émission l'emporte sur l'absorption -> le milieu est amplificateur.
  • Pertes : onde faiblement transmise par un miroir pour laisser le faisceau sortir de la cavité, légère absorption par les miroirs.
  • Condition d'oscillation : Gain X Perte = 1
    • condition imposée par le milieu -> spectre autour de la fréquence ν telle que ΔE = hν, largeur donné par la durée de la transition donc la longueur du paquet d'onde.
    • condition imposée par la cavité -> modes propres (onde stationnaire) imposés par la longueur de la cavité
  • Amorçage : la moindre émission de photon et  Gain X Perte ≥ 1
  • Stabilisation par non linéarité.
Selon le thème que l’on aborde le photon peut correspondre à un quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques. Il présente tout de même certaines caractéristiques de particule élémentaire. Mais, lorsque l’on aborde plus précisément la théorie quantique des champs, le photon correspond alors la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique.
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C'est parti

L'effet laser

Interaction lumière-matière

Afin d’obtenir des équations détaillées de l’effet Laser et de la cavité Laser, il faut définir les deux degrés de quantification existant dans l’interaction lumière-matière afin de mieux comprendre la physique de l’effet laser :

  • Le modèle semi-classique qui repose sur la quantification des atomes et un champ électromagnétique classique pour la lumière
  • Le modèle complètement quantique qui repose sur la quantification des atomes mais aussi de la lumière.

Interaction semi-classique

Ce modèle permet ainsi de comprendre l’origine de l’effet Laser mais aussi l’obtention d’équations de taux qui régissent les populations d’atomes au sein de la cavité Laser.

Interaction atome quantifié et champ classique

Dans ce modèle, puisque les atomes sont quantifiés, il est nécessaire d’utiliser le formalisme de la mécanique hamiltonienne. Ainsi, dans l’approximation d’un système à deux niveaux d’énergie pour les atomes, l’effet du champ électrique extérieur consiste en des oscillations dites de Rabi des atomes entre ces deux niveaux.

Ce modèle ne permet donc pas d’obtenir l’inversion de population qui est nécessaire à l’effet Laser. En effet, ces oscillations sinusoïdales montrent que le système ne peut choisir entre l’émission stimulée et l’absorption.

Il est alors nécessaire d’introduire de manière ad hoc l’émission spontanée pour expliquer l’effet laser dans un modèle semi-classique car l’émission spontanée ne peut pas être expliquée sans une deuxième quantification.

Un atome correspond à une particule possédant une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d’arriver à décrire celle-ci. Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d’électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l’atome est donc électriquement positif. Dans le cas d’un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n’est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l’atome qu’il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l’atome entier.

Les différents type de laser existant

Il existe six familles de laser différentes, classifiées selon la nature du milieu excité.

Les lasers peuvent émettre un lumière continue ou impulsionnelle tel que les lasers femtoseconde (fréquence d'impulsion de 10-12 secondes). La fréquence des impulsions est tellement élevée qu'ils paraissent continues à l’œil.

Le laser gaz

Le milieu laser de ce type de source correspond alors à un gaz atomique ou moléculaire qui sera placé dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau obtenu est donc très resserré et présente des fréquences d'émissions peu étendues.

  • Le laser hélium-néon (rouge 632.8 nm) correspond au laser qui est très utilisé dans le bâtiment-travaux-publics afin de contrôler les alignements et mesures, ainsi que dans les lasers de spectacle.
  • Le laser CO2 est capable de libérer beaucoup d'énergie (en utilisation impulsionnelle) et est très utilisé pour le marquage, la gravure et la découpe de matériaux.

Le laser cristallin

Le laser cristallin, contrairement aux lasers à gaz, possèdent un milieu laser est solide, tels que des cristaux ou du verre. Afin de rendre cela possible, Il est nécessaire de doper, c'est à dire apporter une impureté, dans le milieu laser à l'aide d'un ion. Logiquement, la longueur d'onde du laser dépendra surtout de l'ion, même si le milieu solide a lui aussi un peu d'influence.

Les principales utilisations de ce types de laser, puisqu'ils sont énergétiques, sont la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.

Le laser à fibre

Ce type de milieu laser de ce type de source est très similaire à celui d'un laser cristallin. En effet, on y retrouve une fibre optique est dopée à l'aide des ions de terres rares. De la même manière que les lasers solides, la longueur d'onde dépend de l'ion.

Ce milieu laser est relativement récent et est avantageusement moins coûteux, prend peu de place et selon l'énergie produite ne nécessite pas obligatoirement de refroidissement.

Le laser à colorants moléculaires

Dans ce type de laser, il est possible de trouver colorant moléculaire en solution liquide prisonnier au sein d'une fiole en verre. La longueur d'onde d'un tel laser peut être affinée à l'aide d'un prisme ce qui permet une grande précision du laser. C'est le choix du colorant qui détermine principalement la couleur du laser.

La diode laser

Ce type de laser correspond à ceux que l'on retrouve de façon majoritaire dans l'industrie et son mécanisme de fonctionnement est basé sur la technologie des semi-conducteurs.

Le principal avantage de ce type de laser est qu'il ne nécessite pas de milieu laser volumineux, les appareils utilisant cette technologie peuvent donc être extrêmement compacts. C'est par exemple la technologie utilisée pour les pointeurs laser. Il sont également peu coûteux. La lumière rouge est la plus courante même si de nombreuses longueurs d'ondes peuvent être produites avec cette méthode.

La diode laser est également très utilisée dans les télécommunications et lecture optique. Elle a cependant une précision moindre que la plupart des autres types de laser, mais reste très adaptées pour de nombreuses applications.

Le laser à électron libre

Ce ne sont pas des lasers classiques. En effet, ce type de laser, au lieu d'utiliser le rayonnement issu de la désexcitation d'atome, fait appel au rayonnement produit par l'accélération d'électrons. Ce type de laser ne peut exister qu'au contact d'un accélérateur de particules, tel que SOLEIL à Saclay en région parisienne ou au CERN non loin de Genève.

Les caractéristiques de la lumière laser

Le laser est une source lumineuse possédant des propriétés particulières :

  • La lumière laser correspond à une lumière monochromatique. En effet, celle-ci est constituée de rayonnements ayant tous la même longueur d'onde.  On peut donc dire que la couleur du faisceau lumineux dépend du milieu laser utilisé et des caractéristiques du pompage optique.
  • La lumière laser correspond à une lumière directive. En effet, le faisceau obtenu possède un angle d'ouverture très faible, on le considère donc rectiligne, et se propage dans un seule direction.
  • La lumière laser correspond à une lumière cohérente. En effet, le faisceau est constitué de photons dont les caractéristiques sont les mêmes. De ce fait, les ondes lumineuses qui leurs sont associées sont en phases.
  • La lumière laser peut propager une importante puissance.

Ces caractéristiques opposent la lumière laser à celles des sources lumineuses classiques puisque celles-ci reposent sur des émissions spontanées qui se font dans toutes les directions, à des phases différentes et avec une puissance nettement inférieure.

La technologie laser et ses applications

ObjectifsLoisirsTransfert d'informationSciences de matériauxMédicalMilitaire
Applications
  • Spectacles son et lumière

  • Laser game


  • Lecteur DVD

  • Imprimantes

  • Fibres optiques

  • Lecteur de codes barres


  • Soudures

  • Découpe

  • Perçage

  • Décapage


  • Ophtalmologie

  • Dermatologie

  • Urologie : destruction de calcul urinaire


  • Armes anti-missile

  • Aide à la visée

Le CD est lu par une diode laser qui va prendre en compte les différentes gravures parcourant le support afin de retranscrire les données stockées sur celui-ci.

Les dangers du laser

Selon le laser qui est utilisé, il peut être nécessaire d'adopter des équipements de protection individuelles. En effet, une source laser peut émettre un faisceau lumineux extrêmement énergétique pouvant de ce fait provoquer des brûlures de la rétine voire de la peau selon la situation.

La rétine correspond au tissu nerveux sensible à la lumière sur lequel convergent les rayons lumineux. La rétine est formée de plusieurs couches de cellules nerveuses qui sont sensibles à la lumière et transmettent les informations au cerveau par les fibres nerveuses qui cheminent par le nerf optique et les voies optiques. Elle est collée à l’intérieur de l’œil contre la paroi sclérale, au contact de l’épithélium pigmentaire et la choroïde, nécessaires à la survie des cellules rétiniennes.

Ainsi, il existe une classification des lasers en fonction de leur dangerosité. Les mesures de sécurités doivent être adaptées au type de laser utilisé.

  • Classe 1 : sans danger (imprimantes, lecteur CD/DVD)
  • Classe 1 M : l'observation directe du faisceau à travers un instrument optique peut s'avérer dangereuse.
  • Classe 1 C : lasers en contact avec la cible, tel que la peau humaine (épilation).
  • Classe 2 :  lasers émettant un rayonnement visible. L’œil est naturellement protégé en fermant la paupière (lecteur de codes barres).
  • Classe 2 M : lasers émettant dans le visible comportant les mêmes risques que ceux de la classe 1M.
  • Classe 3 R : l'exposition peut-être dangereuse pour les yeux dans les conditions les plus défavorables.
  • Classe 3 B : laser toujours dangereux en cas de contact visuel direct du faisceau.
  • Classe 4 : nécessite de grandes précautions d'utilisation. Des rayonnements de réflexions diffuses peuvent également être dangereux. Il peut causer des dommages sur la peau et des risques d'incendie existe.
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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !