Problème scientifique:Qu'est-ce qu'un laser ?

Le mot " laser " est l'acronyme de l'anglais " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations " ce qui signifie en français : Amplification de lumière par émission stimulée de radiations.
Aussi faut-il, pour bien comprendre le principe de fonctionnement des lasers, étudier le principe de la lumière.

1.La lumière

La lumière est le fait d'ondes électromagnétiques qui véhiculent de petits grains d'énergie sans masse, appelés " photons " et auxquels nos yeux sont sensibles lorsqu'ils sont émis.

Cette émission est dûe à une desexcitation d'ions, ou d'atomes. En effet, toutatome ou ion est dit stable lorsque ses électrons gravitent autour du noyau au niveau d'énergie le plus bas possible.
Cependant ces électrons peuvent gravir plusieurs niveaux d'énergies, et cela à l'occasion d'un apport d'énergie extérieur.
Lorsque l'atome revient à son niveau d'énergie de base, il émet un photon qui se déplace à la vitesse de la lumière (soit c = 300 000 km.s^-1 ).
En nommant W₁ et W₂ les valeurs de l'énergie que possèdent l'atome, respectivement à l'état de base puis à un état excité, cette valeur W₂ de l'énergie qu'elles ont reçues. Il est possible de calculer la fréquence n du photon emis par la relation :

Où h est la constante de Planck qui s'exprime en J.s
Connaissant la vitesse c de la lumière, on peut calculer la longueur d'onde de l'onde électromagnétique l qui véhicule le photon. D'où : l = c / v

On appelle cela l'émission spontanée de lumière .

La couleur de la lumière est dûe aux longueurs d'ondes (Donc à leur fréquence puisque ces deux grandeurs sont liées) de ces ondes électromagnétiques.
Selon la nature de l'espèce chimique, cette longueur d'onde varie. Mais elle varie bien au-delà de la lumière visible dont l est comprise entre 4.10^-7 mètres (violet) et 7.10^-7 mètres (rouge). En passant par toutes les couleurs de l'arc-en-ciel .

Quand l est inferieur à 4.10^-7 mètres on est dans le domaine de l'UV, puis Rayon X puis Gama.
Quand l est supérieur à 4.10^-7 mètres on est dans le domaine des InfraRouges, micro-ondes et ondes radios.

Si la lumière que nous voyons nous semble blanche, c'est parce que les photons qui la composent ont tous des longueurs d'ondes différentes et donc émettent des couleurs différentes qui mélangées lui donnent sa couleur.

Outre cette variété de couleur, la lumière blanche se caractérise par la diversité des directions dans lesquelles les photons sont émis . De plus les ondes électromagnétiques ne sont pas toutes émisent en même temps. Aussi peut-on considérer la lumière blanche comme désordonnée.

2.Les caractéristiques de la lumière laser

Par rapport à la lumière blanche, la lumière laser est monochrome (d'une seule couleur) et d'une extrème pureté spectrale, (ce qui signifie que l'on ne peut la décomposer en spectre), tous ses photons ont la même longueur d'onde (donc la même fréquence). De plus tous les photons se déplacent dans la même direction. On dit que la lumière laser est cohérente et que ses photons sont en phase.

Il existe de nombreux types de lasers qui émettent des faisceaux de couleurs différentesvoir même invisibles. Cependant, quel que soit le type de laser ou la couleur du faisceau, ce dernier est très dangereux pour les yeux.


3.Le principe de la lumière laser

a) L'émission stimulée de lumière

Nous avons précedemment expliqué le principe de l'émission spontannée de lumière. Mais il existe un autre principe, mis en évidence par Albert Einstein, père de la physique moderne, en 1917. Il s'agit de l'émission stimulée de lumière.Toute désexcitation d'atome s'accompagne d'une émission de photon d'une certaine fréquence.

Si un photon de fréquence n ( appelé photon incident) rencontre un atome capable d'émettre un photon de même fréquence alors le photon incident va exciter cet atome en lui apportant de l 'énergie.
En revenant à son niveau d'énergie de base, il va émettre un photon qui sera la copie conforme du photon incident.

Les deux photons, qui ont la même fréquence ( et donc la même longueur d'onde), se déplacent dans la même direction et sont parfaitement en phase(" ondes parrallèles ").

En répétant ce phénomène à grande échelle dans un certain milieu, on obtient donc une lumière cohérente et en phase : La lumière Laser
De ce principe, on peut également déduire que la couleur du faisceau laser dépend du milieu dont on excite les atomes.


b) Inversion de population et pompage optique
Cependant, le seul principe de l'émission stimulée est insuffisant pour crée la lumière laser. En effet, dans la matière, il y a plus d'atomes non-excités qu'excités et le nombre de ces derniers est insuffisant pour produire la lumière laser.
Pour cela, il faut obtenir, dans le milieu, plus d'éléctrons excités que non excités, ce que l'on appelle l'inversion de population.
C'est en 1949, grâce au physicien français Alfred Kastler, que fût pour la première fois obtenue une inversion de population grâce à une méthode baptisée " pompage optique ", qui consiste à éclairer les particules d'un flash intense de lumière blanche pour les exciter et, de là déclencher un enchaînement d'émissions stimulées. Le premier milieu utilisé fut le rubis, dont les photons emis furent de couleur rouge (694.3 nanomètre de longueur d'onde.)

Il existe néanmoins d'autres méthodes pour obtenir une inversion de population telles qu'une décharge électrique ou bien certaines réactions chimiques.


4.Fonctionnement d'un laser


a) L'oscillateur

Pour obtenir de la lumière laser, il faut un oscillateur laser. Celui-ci se présente sous la forme d'un cylindre qui contient le " milieu laser " (milieu dont on va exciter les particules) et dont les extrémités sont des miroirs.
Le principe est d'obtenir, à partir d'une source d'énergie (pompage optique, décharge électrique, etc...) un photon qui se déplace perpendiculairement aux miroirs.
En rencontrant d'autres particules du milieu laser, celui-ci va stimuler la libération d'un nouveau photon qui, lui-même, après s'être réfléchi sur l'un des miroir (toujours perpendiculairement) va à nouveau renconter le milieu laser, provoquant une réaction en chaîne.
Ainsi, à chaque réflexion sur le miroir, le nombre de photons identiques est plus important.
Pour permettre au faisceau de quitter l'oscillateur, l'un des miroir et semi-transparent (c 'est-à-dire qu'il ne réfléchit que la moitié des photons alors que l'autre moitié le travers comme s'il était transparent.)

Cependant, dans la pratique, l'inversion de population est dificile à réaliser et on obtient en général qu'une faible amplification de la lumière, ce qui oblige à construire de longues cavités qui séparent beaucoup les deux miroirs. Mais le pompage optique nécessite que l'une des dimensions au moins de l'oscillateur soit faible. On obtient alors des oscillateurs étroits mais dont les miroirs sont largement séparés.
Dans ce cas, il se produit un phénomène de diffraction qui provoque l'élargissement des ondes à chaque réflexion sur le miroir, et l'onde renvoyée n'atteint pas forcement le miroir opposé.
C'est pourquoi, en pratique, la plupart des lasers utilisent des miroirs sphériques qui rencontrent la lumière laser.

Par ailleurs, il existe deux types d'oscillateurs lasers.
Premièrement, un oscillateur qui produit de la lumière laser en continu, et dont le rayon sortant garde une puissance constante, cela parce que la source d'énergie excite en continu les particules du milieu. Ce sont les lasers continus.
Deuxiemement, les lasers dits " impulsionnels " où la source d'énergie n'excite les particules que par intermittence, produisant une lumière discontinue par impulsions brèves mais très intenses.
(c'est d'ailleurs le cas avec le pompage optique qui agit sous forme de flashs lumineux)


b) La Puissance d'un laser.

Lorsqu'on étudie la puissance des lasers, il faut distinguer les lasers continus et les lasers impulsionnels.
Dans le cas des lasers continus, le calcul de la puissance n'est pas un probleme, elle est toujours constante. Les puissance obtenues à partir de lasers continus varient de quelques mW à la cinquantaine de kW. Par exemple, le laser continu le plus puissant obtenu à ce jour en Europe est un laser CO2 ( le CO2 est le milieu laser) réalisé en 1994 à Thionville. Sa puissance est de 45 kW.
Mis au point dans le soucis d'une utilisation industrielle, il est dédié à des tâches de soudage sur une forte épaisseur de métal.

En ce qui concerne les lasers impulsionnels, la puissance s'evalue différemment en fonction de 2 critères.
Il faut distinguer :

- La puissance moyenne de sortie où l'on tient compte de l'intervalle de temps entre chaque impulsion.
- La puissance maximale atteinte au moment de l'impulsion et appelé puissance de crête.

La puissance libérée par un laser continue est , en général, relativement faible en comparaison de la puissance fournie pour réaliser le pompage : Une grande part de l'énergie perdue est transformée en chaleur.
De plus, un laser de 1 W qui donne sa lumière de façon continue fournira une énergie d'une Joule en une seconde.Mais si on concentrait cette energie en une milliseconde, la puissance sera de 1kW.

En réalisant le pompage optique sur un temps infiniment court, (1 nanoseconde soit 10^-9s voir 1 picoseconde soit 10^-12s), on peut ainsi obtenir des lasers dont la puissance de crête peut atteindre le Térawatt (10¹² W).

Ainsi pour de nombreuses applications industrielles, (soudage de métaux), on utilise des lasers impulsionnels qui permettent d'obtenir des puissances de sortie plus importantes.


c) Les Amplificateurs laser.

Pour certaines applications des lasers, l'oscillateur laser peut être utilisé tel quel. Cependant un oscillateur ne fournit pas assez de puissance pour de nombreuses applications.

Dans ce cas, on amplifie la lumière laser en la faisant traverser une série d'amplificateurs.Le principe d'émission est le même que l'oscillateur, mais il n'y a pas de miroirs aux deux extrémités.
Les photons en place sont émis dans l'oscillateur.Ils se multiplient à chaque fois qu'ils traversent un amplificateur qui contient le milieu laser.Le nombre des amplificateurs que l'on enchaîne dépend de la puissance que l'on veut obtenir.
Il faut cependant augmenter à chaque fois le diamètre du faisceau et des amplificateurs.

Le faisceau de plus en plus puissant risque en effet d'endommager les composants optiques (milieux laser en verre).
Au bout de cette " chaîne laser " on focalise le faisceau à l'aide d'une lentille convergente.

5. Les différents types de lasers

a) Les lasers à solide

Pour le milieu laser, de ceux-ci, on emploie soit des verres , soit des cristaux (le rubis étant un cristal, le premier laser réalisé fut donc un laser à solide).
Ce sont des lasers impulsionnels puisqu'on obtient l'inversion de population grâce à de brèves impulsions. De ce fait, ces lasers sont ceux qui fournissent la plus grande puissance utile. Ils emettent par ailleurs jusqu'aux rayon ultra-violets, voir même infrarouge.

L'exemple le plus repandu de laser à solide est le laser Y.A.G (Grenat, d'yttrium et d'aluminium). Il émit son faisceau dans le proche infrarouge.


b) Les lasers à gaz

Le milieu laser des lasers à gaz est constitué soit par un gaz pur, un melange de gaz, soit par un métal chauffé à l'état de vapeur. Ces gaz laser présentent de nombreux avantages et tout d'abord, par la nature même de l'état gazeux qui permet que l'inversion de population soit obtenue de nombreuses manières différentes ( décharges electriques, pompage optique, etc..).
De plus pour les gaz à basse pression on peut obtenir des faisceaux d'une pureté spectrale étonnante ( notamment laser hélium-néon). Ainsi, ces types de lasers sont utilisés en télémétrie ( mesure de distances à l'aide de lasers).
Par ailleurs, les lasers à CO2 sont appréciés car ils produisent de fortes puissances en mode continu.


c) Lasers à semi-conducteurs

Un corps metalique est dit semi-conducteur lorsqu'il ne conduit pas parfaitement le courant électrique et que la resistance diminue lorsque la temperature augmente.
Pour émettre des photons, on utilise la différence de conductivité de différents métaux semi-conducteurs, après avoir provoqué l'inversion de population par la mise sous tension du circuit que forment ces métaux. En concentrant un grand nombre de semi-conducteurs différents sur un espace réduit, on peut obtenir de fortes puissances.

Ces types de lasers sont utilisés pour les imprimantes lasers ou bien les lecteurs de CD
(Ex: les diodes lasers)


c)Autres types de lasers

Il existe deux grands autres types de lasers, mais comme ils ne sont pas très répandus, nous ne les développerons pas ici : ce sont les lasers à liquides et les lasers à électrons libres.

Les lasers à liquide ne sont pas très utilisés car ils se sont révélés mauvais amplificateurs. Cependant, lorsque le milieu amplificateur est un colorant inorganique, ils se révèlent extrêmement pratiques car on peut régler leur longueur d'onde (on dit qu'ils sont accordables).

Les lasers à électrons libres ne sont apparus qu'en 1977 et ne sont pas encore très répandus, ils sont principalement utilisés pour la recherche. Ils sont cependant capables de générer de très hautes énergies. Ils pourraient donc devenir (également en raison de leur moindre coût), très utilisés dans les années à venir.