LASER

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LASER

Laser

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Rayon laser à travers un dispositif 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 - √©nergie de pompage 3 - miroir totalement r√©fl√©chissant 4 - miroir semi-r√©fl√©chissant 5 - faisceau laser

Un laser est un appareil √©mettant de la lumi√®re (rayonnement √©lectromagn√©tique) amplifi√©e par √©mission stimul√©e. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-am√©ricain ¬ę light amplification by stimulated emission of radiation ¬Ľ (en fran√ßais : ¬ę amplification de la lumi√®re par √©mission stimul√©e de radiation ¬Ľ). Le laser produit une lumi√®re spatialement et temporellement coh√©rente bas√©e sur l'effet laser. Descendant du maser, le laser s'est d'abord appel√© 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 XXIe si√®cle, le laser est plus g√©n√©ralement vu comme une source possible pour tout rayonnement √©lectromagn√©tique, dont fait partie la lumi√®re visible. Les longueurs d'ondes concern√©es √©taient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont √©tendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent m√™me √† s'appliquer aux rayons X.

Sommaire

Principe de fonctionnement

Phénomènes mis en jeu

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est n√©cessaire d'introduire le concept de quantification de la mati√®re : les √©lectrons sont r√©partis sur des niveaux d'√©nergie discrets (les ¬ę couches ¬Ľ). Cette hypoth√®se est fondamentale et non intuitive : si l'on consid√®re l'image selon laquelle les √©lectrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien pr√©cises autour du ou des noyaux atomiques.

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'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‚Äôabsorption ‚ÄĒ Lorsqu'il est √©clair√© par un rayonnement √©lectromagn√©tique (la lumi√®re), un atome peut passer d'un √©tat n √† un √©tat n' > n, en pr√©levant l'√©nergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est r√©sonnant : la fr√©quence du rayonnement ŌČ doit √™tre proche d'une fr√©quence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fr√©quences de Bohr atomiques sont d√©finies par \hbar\omega_{nn'}=(E_{n'}-E_n), o√Ļ En' > En sont les √©nergies des √©tats n' et n. On peut interpr√©ter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'√©nergie \hbar\omega=h\nu) faisant passer l'atome du niveau d'√©nergie En vers le niveau d'√©nergie En'. La condition de r√©sonance correspond alors √† la conservation de l'√©nergie.
  • L‚Äô√©mission stimul√©e ‚ÄĒ Ce processus est le sym√©trique du pr√©c√©dent : un atome dans l'√©tat n' peut se ¬ę d√©sexciter ¬Ľ vers le niveau n sous l'effet d'une onde √©lectromagn√©tique, qui sera alors amplifi√©e. Comme pour l'absorption, ce processus n'est possible que si la fr√©quence du rayonnement ŌČ est proche de la fr√©quence de Bohr ŌČnn'. On peut l'interpr√©ter comme l'√©mission d'un photon d'√©nergie \hbar\omega qui vient s'¬ę ajouter ¬Ľ au rayonnement.
  • L‚Äô√©mission spontan√©e ‚ÄĒ Un atome dans un √©tat excit√© n' peut se d√©sexciter vers un √©tat n, m√™me en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est √©mis dans une direction al√©atoire, et sa fr√©quence est √©gale √† la fr√©quence de Bohr ŌČnn'. On peut interpr√©ter ce processus comme l'√©mission d'un photon d'√©nergie \hbar\omega_{nn'} dans une direction al√©atoire.

Fonctionnement

Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumi√®re (fonctionnant gr√Ęce √† l'√©mission stimul√©e) dont la sortie est branch√©e sur l'entr√©e.

L'amplificateur est un ensemble d'atomes ou mol√©cules que l'on fait passer d'un √©tat fondamental ou faiblement excit√© n √† un √©tat plus fortement excit√© n' (plus √©nerg√©tique - on parle de ¬ę pompage ¬Ľ), au moyen d'une source d'√©nergie ext√©rieure (par exemple un g√©n√©rateur √©lectrique, ou un autre laser...). Ces atomes peuvent alors se d√©sexciter vers l'√©tat n, en √©mettant des photons de fr√©quence autour de ŌČnn'. Ainsi un rayonnement de fr√©quence \omega\simeq\omega_{nn'} passant √† travers ce milieu peut √™tre amplifi√© par des processus d'√©mission stimul√©e. Il peut √©galement √™tre absorb√© : il n'y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux √† √™tre dans l'√©tat n' (susceptible d'√©mettre) que dans l'√©tat n (susceptible d'absorber) : il est n√©cessaire d'avoir une ¬ę inversion de population ¬Ľ.

Le rayonnement sortant de cet amplificateur est reboucl√© sur son entr√©e au moyen de miroirs, qui constituent une ¬ę cavit√© ¬Ľ (o√Ļ la lumi√®re est pi√©g√©e). Bien s√Ľr, un dispositif (comme un miroir partiellement r√©fl√©chissant) permet d'extraire de la lumi√®re de ce syst√®me, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement initialement pr√©sent dans le syst√®me va √™tre amplifi√© une premi√®re fois, puis reboucl√©, puis r√©amplifi√©, etc. On peut ainsi construire un rayonnement extr√™mement important, m√™me √† partir d'un rayonnement extr√™mement faible (comme un seul photon √©mis spontan√©ment dans la cavit√©).

On peut comparer ce processus √† l'effet Larsen, qui se produit lorsqu'un amplificateur (la cha√ģne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) ¬ę branch√©e ¬Ľ sur l'entr√©e (le micro). Alors un bruit tr√®s faible capt√© par le micro est amplifi√©, √©mis par le haut-parleur, capt√© par le micro, r√©amplifi√©, et ainsi de suite... Bien s√Ľr l'intensit√© du son ne cro√ģt pas ind√©finiment (tout comme l'intensit√© de la lumi√®re dans un laser) : l'amplificateur a des limites (il existe un volume maximum du son pouvant √™tre produit). La fr√©quence du son √©mise par ce proc√©d√© est particuli√®re et d√©pend de l'amplificateur ainsi que de la distance entre le haut-parleur et le micro : il en est de m√™me 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 1958 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 tr√®s t√īt des d√©bouch√©s industriels. La premi√®re application fut r√©alis√©e en 1965 et consistait √† usiner un per√ßage de 4,7 mm de diam√®tre et de 2 mm de profondeur dans du diamant avec un laser √† rubis. Cette op√©ration √©tait r√©alis√©e en 15 min, alors qu‚Äôune 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 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] Dès lors 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

Article d√©taill√© : Liste des diff√©rents 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.

Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'√©mission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit √™tre dop√© par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser √† rubis dont l'√©mission provient de l'ion Cr3+. D'autres ions sont tr√®s utilis√©s (la plupart des terres rares : Nd, Yb, Pr, Er, Tm..., le titane et le chrome, entre autres). La longueur d'onde d'√©mission du laser d√©pend essentiellement de l'ion dopant, mais la matrice influe aussi. Ainsi, le verre dop√© au n√©odyme n'√©met pas √† la m√™me longueur d'onde (1053 nm) que le YAG dop√© au n√©odyme (1064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de mani√®re impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes √† quelques femtosecondes --millionni√®me de millliardi√®me de seconde). Ils sont capables d'√©mettre aussi bien dans le visible, le proche infrarouge que l'ultraviolet.

Le milieu amplificateur peut √™tre un barreau dans le cas d'un laser Nd-YAG (donc dop√© au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium), mais il peut aussi se pr√©senter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers √† fibre (donc dop√© au Yb et la matrice est en silice). Aujourd'hui, le milieu amplificateur le plus utilis√© pour g√©n√©rer des impulsions femtosecondes est le saphir dop√© titane. Il poss√®de deux bandes d'absorption centr√©es √† 488 et 560 nm. Il poss√®de un large spectre d'√©mission centr√© √† 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 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 particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très peu étendue. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium-néon (rouge à 632,8 nm), utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles.

Les lasers √† dioxyde de carbone sont capables de produire de tr√®s fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 106 W. C'est le marquage laser le plus utilis√© dans le monde. Le laser CO2 (infrarouge √† 10,6 ¬Ķm) peut √™tre, par exemple, utilis√© pour la gravure ou la d√©coupe de mat√©riaux.

Il existe aussi une sous-famille des lasers √† gaz : les lasers excimers qui √©mettent dans l'ultra-violet. Dans la majorit√© des cas, ils sont compos√©s d'au moins un gaz halog√®ne et aussi parfois d'un gaz rare. Le terme ¬ę excimer ¬Ľ vient de l'anglais excited dimer qui signifie une mol√©cule excit√©e compos√©e de deux atomes identiques (ex. : F2). Or les lasers excimer utilisent des exciplexes qui sont des mol√©cules compos√©es de deux atomes diff√©rentes (gaz rare et halog√®ne, par exemple, ArF) qui ne restent ensemble qu'√† l'√©tat excit√©. L'excitation √©lectrique du m√©lange d'halog√®ne et de gaz rare produit ces mol√©cules exciplexes . On devrait donc nomment lasers exciplexes plust√īt que lasers excim√®res. Apr√®s √©mission du photon, l'exciplexe disparait car ses atomes se s√©parent, donc le photon ne peut √™tre r√©absorb√© par l'excimer non excit√©, ce qui permet un bon rendement au laser. Ex: Lasik

Diode laser

Article d√©taill√© : Diode laser.

Dans une diode laser (ou laser √† semi-conducteur), le pompage se fait √† l'aide d'un courant √©lectrique qui enrichit le milieu g√©n√©rateur en trous d'un c√īt√© et en √©lectrons de l'autre. La lumi√®re est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des √©lectrons. Souvent, ce type de laser ne pr√©sente pas de miroirs de cavit√© : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un coefficient de r√©flexion suffisant pour d√©clencher l'effet laser.

C'est ce type de laser qui repr√©sente l'immense majorit√© (en nombre et en chiffre d'affaire) des lasers utilis√©s dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : tout d'abord, il permet un couplage direct entre l'√©nergie √©lectrique et la lumi√®re, d'o√Ļ les applications en t√©l√©communications (√† l'entr√©e des r√©seaux de fibres optiques). De plus, cette conversion d'√©nergie se fait avec un bon rendement (de l'ordre de 30 √† 40 %). Ces lasers sont peu co√Ľteux, tr√®s compacts (la zone active est microm√©trique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millim√®tre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumi√®re sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers d√©livrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilis√©s et les moins co√Ľteux. Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), t√©l√©communications, imprimantes, dispositifs de ¬ę pompage ¬Ľ pour de plus gros lasers (de type lasers √† solide), pointeurs, etc. Noter que la r√©glementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer √©clairant au-del√† de 1 000 m√®tres.

Quelques b√©mols tout de m√™me, la lumi√®re √©mise est en g√©n√©ral moins directionnelle et moins ¬ę pure ¬Ľ spectralement que celle d'autres types de lasers (√† gaz en particulier). Ce qui n'est pas un probl√®me dans la majorit√© des applications.

Un dispositif tr√®s proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL : le dispositif de pompage est le m√™me, mais la production de lumi√®re n'est pas stimul√©e, elle est produite par d√©sexcitation spontan√©e, de sorte que la lumi√®re produite ne pr√©sente pas les propri√©t√©s de coh√©rence caract√©ristique du laser.

À électrons libres (LEL)

Ce type de laser est tr√®s particulier, car son principe est tout √† fait diff√©rent de celui expos√© plus haut. La lumi√®re n'y est pas produite par des atomes pr√©alablement excit√©s, mais par un rayonnement synchrotron produit par des √©lectrons acc√©l√©r√©s. Un faisceau d'√©lectrons, provenant d'un acc√©l√©rateur √† √©lectrons, est envoy√© dans un onduleur cr√©ant un champ magn√©tique p√©riodique (gr√Ęce √† un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est plac√© entre deux miroirs, comme dans le sch√©ma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifi√© et devient coh√©rent, c‚Äôest-√†-dire qu'il acquiert les caract√©ristiques de la lumi√®re produite dans les lasers.

Il suffit de r√©gler la vitesse des √©lectrons pour fournir une lumi√®re de fr√©quence ajust√©e tr√®s finement sur une tr√®s large gamme, allant de l'infrarouge lointain (t√©rahertz) aux rayons X, et la puissance laser peut √™tre √©galement ajust√©e par le d√©bit d'√©lectrons jusqu'√† des niveaux √©lev√©s. On peut √©galement disposer d'impulsions laser d'intervalle court et pr√©cis. Tout cela rend ce type de laser tr√®s polyvalent, et tr√®s utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus co√Ľteux √† produire car il est n√©cessaire de construire un acc√©l√©rateur de particules.

À fibre

Ce type de laser ressemble au laser solide. Ici le milieu amplificateur est une fibre optique dop√©e avec des ions de terres rares. La longueur d'onde obtenue d√©pend de l'ion choisi (Samarium 0,6 ¬Ķm; Ytterbium 1,05 ¬Ķm; Erbium 1,55 ¬Ķm; Thulium 2,1 ¬Ķm). Cette technologie est relativement r√©cente (le premier date de 1964), mais il existe aujourd'hui des lasers monomodes dont la puissance est de l'ordre de la dizaine de kilowatts. Ces lasers ont l'avantage de couter moins cher et de poss√©der un encombrement r√©duit. Par ailleurs il n'est pas n√©cessaire de les refroidir en dessous de 10 kW[4],[5].

Téramobile

Le laser téramobile est un dispositif mobile qui délivre des impulsions laser ultrapuissantes et ultrabrèves. Le laser téramobile peut servir à détecter et mesurer des polluants atmosphériques ou à frayer à la foudre un chemin rectiligne[6].

Sécurité

Symbole de danger
Laser vert classe IIIb contre classe IIIa

Selon la puissance et la longueur d'onde d'√©mission du laser, celui-ci peut repr√©senter un r√©el danger pour la vue et provoquer des br√Ľlures irr√©parables de la r√©tine. nouvelle norme:

Classe 1 
lasers sans danger, √† condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables pr√©visibles(exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD).
Classe 1M 
lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instrument optiques, peut être dangereuse.
Classe 2 
lasers qui √©mettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 √† 700nm. La protection de l‚ÄôŇďil est normalement assur√©e par les r√©flexes de d√©fense comprenant la r√©flexe palp√©bral, clignotement de la paupi√®re. (par exemple, des lecteurs de code-barres).
Classe 2M 
lasers qui √©mettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 √† 700nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment √† l‚Äôaide d‚Äôinstrument optiques, peut √™tre dangereuse.(exemples : loupes et t√©lescopes).
Classe 3R 
lasers dont l‚Äôexposition direct d√©passe l‚ÄôEMP ( Exposition Maximal Permise) pour l‚ÄôŇďil, mais dont le niveau d‚Äô√©mission est limit√© √† cinq fois la LEA ( Limite d‚ÄôEmission Accessible) des classes 1 et 2.
Classe 3B 
laser dont la vision directe du faisceau est toujours dangereuse. La vision de réflexions diffuses est normalement sans danger.
Classe 4 
lasers qui sont aussi capables de produire des réflexions diffuses. Ils peuvent causer des dommages sur la peau et peuvent également constituer un danger d’incendie. Leur utilisation requiert des précautions extrêmes.

Applications

Les applications lasers utilisent les propriétés de cohérence spatiale et temporelle du laser. Elles peuvent être classées plus ou moins en fonction de 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. ‚ÜĎ J. Wilson et J. F. B. Hawkes, Laser principles and Application, International Series in Optoelectronics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 194.
  2. ‚ÜĎ P. A. Hilton (2002), In the Beginning‚Ķ, Intnl Congrs on Appl on Application of Lasers and Electro-Optics (ICALEO‚Äô2002), Scottdales, USA
  3. ‚ÜĎ B. Vannes, Les lasers de puissance, Hermes.
  4. ‚ÜĎ (fr) √Čtude et r√©alisation de lasers √† fibre auto-impulsionnels √† base d'absorbants saturables, Jean-Bernard Lecourt, th√®se pour obtenir le grade de docteur de l'universit√© de Rouen (lire en ligne)
  5. ‚ÜĎ (en) Exemple d'un laser √† fibre de 50 kW
  6. ‚ÜĎ http://www2.cnrs.fr/presse/thema/123.htm
  7. ‚ÜĎ Laser artistique L'illusion avec le laser

Annexes

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