Qu'est-ce qu'un laser ?

Un laser est une source lumineuse qui produit un rayonnement monochromatique rectiligne.

Le mot laser est l'acronyme de "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ce qui dans la langue de Molière signifie "Amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement".

Le principe du laser

La production de ce type de faisceau nécessite la présence d'un milieu laser à l'origine de l'émission lumineuse stimulée.

Les constituants du milieu laser (en général un gaz ou un solide) doivent être continuellement maintenus dans un état d'énergie excité, même après émission de rayonnement (relaxation). En effet, les atomes ont naturellement tendance à retrouver leur niveau d'énergie le plus bas, et donc le plus stable, par le biais d'une émission spontanée.

 

Quel est le principe du laser ? A gauche : schéma de principe de fonctionnement du milieu laser. A droite : deux exemples de lasers rouge.

Il faut donc effectuer ce que l'on appelle une "inversion de population" de manière à ce que la majorité des atomes du milieu laser restent excités.

Cette opération, appelée "pompage optique", est effectuée en soumettant le milieu laser à des flashs lumineux qui apportent aux atomes l'énergie nécessaire pour retrouver leur état excité après une émission (spontanée ou stimulée).

Par ailleurs, le milieu laser est situé dans une cavité qui permet d'amplifier la lumière et de lui donner sa directivité.

Cette cavité contient deux miroirs, dont un partiellement transparent en sortie. Ce dernier ne laisse s'échapper qu'une partie de la lumière laser produite et uniquement celle qui se propage dans une direction perpendiculaire au miroir tandis que l'autre partie se réfléchit et permet d'entretenir l'émission stimulée.

Les caractéristiques de la lumière laser

Le laser est une source lumineuse possédant des propriétés particulières :

  • C'est une lumière monochromatique : elle est constituée de rayonnements ayant tous la même longueur d'onde.  Cette dernière, donc la couleur du faisceau lumineux dépend du milieu laser utilisé et des caractéristiques du pompage optique.
  • C'est une lumière directive : le faisceau obtenu possède un angle d'ouverture très faible (rectiligne) et se propage dans un seule direction.
  • C'est une lumière cohérente : le faisceau est constitué de photons dont les caractéristiques sont les mêmes. En particulier, 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 reposant sur des émissions spontanées qui se font dans toutes les directions, à des phases différentes et avec une puissance nettement inférieure.

Type de laser

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.

1. Gaz

Le milieu laser est un gaz atomique ou moléculaire placé dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau obtenu est très resserré et les fréquences d'émissions peu étendues.

Le laser hélium-néon (rouge 632.8 nm) est très utilisé dans le bâtiment-travaux-publics pour 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.

2. Cristallins

A la différence des lasers à gaz, le milieu laser est solide, tels que des cristaux ou du verre. Pour que le solide devienne un milieu laser, celui-ci est dopé (ajout d'une impureté) à l'aide d'un ion. La longueur d'onde du laser dépend surtout de l'ion, même si le milieu solide a lui aussi un peu d'influence.

Ces lasers sont énergétiques et sont utilisés dans la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.

3. A fibre

Ce type de milieu laser est similaire à un laser cristallin. La fibre optique est dopée avec 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.

4. A colorant moléculaires

Un colorant moléculaire en solution liquide est prisonnier d'une fiole en verre. La longueur d'onde d'un tel laser peut être affinée à l'aide d'un prisme. Ceci permet une grande précision du laser. C'est le choix du colorant qui détermine principalement la couleur du laser.

5. Diode laser

C'est ce type de laser que l'on retrouve en majorité dans l'industrie. Il est basé sur la technologie des semi-conducteurs.

Ce type de laser ne nécessite pas de milieu laser volumineux, les appareils 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 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.

6. Electron libre

Ce ne sont pas des lasers classiques. Au lieu d'utiliser le rayonnement issu de la désexcitation d'atome, il utilise le 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.

Laser et sécurité...

Certains lasers émettent un faisceau lumineux extrêmement énergétique pouvant provoquer des brûlures, de la rétine voire de la peau.

Quelles-sont les précautions à prendre pour se protéger d'un laser ? Opérateur travaillant sur un laser avec des lunettes de protection

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 2M : lasers émettant dans le visible comportant les mêmes risques que ceux de la classe 1M.
  • Classe 3R : 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.

Les applications du laser

Les applications lasers sont extrêmement variées, en voici quelques exemples : 

ObjectifsTransfert d'informationSciences de matériauxMédicalMilitaireLoisirs
ApplicationsLecteur 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
Spectacles son et lumière
Laser game

Toutes ces applications reposent sur les propriétés du faisceau lumineux, monochromatique et rectiligne ainsi que sur sa capacité énergétique. Un laser permet une grande précision, tout en intervenant à distance.

Utilisation du laser en médecine

La technologie laser est très utilisée en médecine car permet d'effectuer des manœuvres de chirurgie non invasive (pas de pénétration à l’intérieur du corps), avec une précision extrême. Elle permet également de limiter le risque d'infection en comparaison à la chirurgie classique.

Le choix d'une longueur d'onde très précise permet de toucher des tissus spécifiques sans affecter les tissus voisins. Le choix du type de laser est donc primordial et dépend de l'application.

La première utilisation remonte à 1961 pour opérer une tumeur de la rétine.

Aujourd'hui, l'une des opérations au laser la plus classique est celle contre la myopie. Un laser femtoseconde permet de découper le volet cornée superficiel. Ensuite, un second laser est appliqué sur la partie interne de la cornée et la modeler de la façon voulu par photo-ablation.

L'utilisation du laser est également prisée en chirurgie esthétique et dermatologique. En effet, cette technologie permet d'éliminer les poils, certaines cicatrices ou taches brunes. Le type de laser dépend du but de l'opération mais également du type de peau du patient.

 

Quel est le principe de la chirurgie laser ? Chirurgie ophtalmique au laser

L'épilation au laser résulte de l'endommagement des follicules pileux situés dans le derme sans endommager l'épiderme en surface. Ainsi une fois le poil tombé, le follicule ne sera plus capable d'en produire de nouveaux. Cela nécessite en générale plusieurs séances.

Le laser utilisé ne produit pas de lumière visible et n'est pas réverbéré par la peau. Ainsi, les photons traversent la partie supérieure de la peau sans l'endommager mais interagissent avec les couches plus profondes du derme. Cela serait impossible avec une lumière réfléchie par la peau.

Enfin, un dernier exemple est l'enlèvement de tatouage en utilisant l'énergie laser. Dans ce cas, il s'agit d'un impact mécanique des photons avec les gouttes d'encre dans la peau. Ainsi, les gouttes d'encres sont réduites jusqu'à une taille à laquelle l'organisme est capable de les résorber. Cette fois le type de laser est choisi selon la couleur du tatouage.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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