Laser

Un laser ( « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », en français : « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un appareil qui produit un rayonnement spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. Descendant du maser , le laser s'est d'abord appelé 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 . Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde.

•    Principe de fonctionnement:

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : 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 ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.

 pouvant prendre les valeurs  , , ...  L'état    est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau.Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), 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   .

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’absorption :

Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état    à un état   , en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement    doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par    , où    sont les énergies des états   et  . On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie )  faisant passer l'atome du niveau d'énergie    vers le niveau d'énergie  . La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.

• L’émission stimulée :

Un atome dans l'état    peut se  désexciter  vers le niveau    sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est possible que si la fréquence du rayonnement    est proche de la fréquence de Bohr   . On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie    qui vient s'ajouter  au rayonnement.

• L’émission spontanée :

 Ce processus est le symétrique de l'absorption : un atome dans un état excité   peut se désexciter vers un état    , même en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire avec une phase aléatoire, et sa fréquence est égale à la fréquence de Bohr   . On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie  dans une direction aléatoire.

•    types de laser:

On classe les lasers selon six familles, en fonction de la nature du milieu excité. Par ailleurs, les lasers peuvent être aussi bien continus que fonctionner dans un régime impulsionnel, auquel cas on pourra les qualifier également selon la durée caractéristique de leurs impulsions (lasers continus / lasers picosecondes / lasers femtosecondes).

  =>>Cristallins:

Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion  Cr³⁺. 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 (1 053 nm) que le YAG dopé au néodyme (1 064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes—millionième de milliardième 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 et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre . 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 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 la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.

                          Cristal de titane saphir pompé par un laser vert.

  =>>à colorants :

Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant organique  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  exacte peut être réglée par des filtres optiques.

  =>>à gaz : 

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 à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances de l'ordre de 10⁶ W. C'est le marquage laser le plus utilisé dans le monde. Le laser CO₂   (infrarouge à 10,6 µm) peut être, par exemple, utilisé pour la gravure ou la découpe de matériaux.

Il existe aussi une sous-famille des lasers à gaz : les lasers excimers qui émettent dans l'ultraviolet. Dans la majorité des cas, ils sont composés d'au moins un gaz noble et habituellement d'un gaz halogène.
Le terme « excimer » vient de l'anglais excited dimer qui signifie une molécule excitée composée de deux atomes identiques (ex. : Xe₂). Or certains lasers dits excimères utilisent des exciplexes qui sont des molécules composées de deux atomes différents (par exemple, gaz noble et halogène: ArF, XeCl). On devrait donc les nommer lasers exciplexes plutôt que lasers excimères.
L'excitation électrique du mélange produit ces molécules exciplexes qui n’existent qu'à l'état excité. Après émission du photon, l'exciplexe disparaît car ses atomes se séparent, donc le photon ne peut être réabsorbé par l'excimer non excité, ce qui permet un bon rendement au laser.

  =>>Diode Laser :

Dans une diode laser (ou laser à semi-conducteur), le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous (un trou est une zone du cristal avec une charge positive car un électron manque) d'un côté et en électrons supplémentaires de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction 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 de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser.

C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaires) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : tout d'abord, il permet un couplage direct entre l'énergie électrique et la lumière, d'où les applications en télécommunications (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 . On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge 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.

 =>> à électron libre :

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 produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique 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 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 lointain (térahertz) aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit 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. Il est cependant plus coûteux  ( plus cher $ ) à produire car il est nécessaire de construire un accélérateur de particules.

   =>>à fibre :

Ce type de laser ressemble au laser solide. Ici le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions de terres rares. La longueur d'onde obtenue dépend de l'ion choisi (Samarium 0,6 µm; Ytterbium 1,05 µm; Thulium 1,94 µm; Holmium 2,1 µm). Cette technologie est relativement récente , 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, de posséder un encombrement réduit et d'être résistant aux vibrations. Par ailleurs il n'est pas nécessaire de les refroidir en dessous de 10 kW.

 =>>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.

•         Sécurité:

Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine. Pour des questions de sécurité, la législation française interdit l'utilisation de lasers de classe supérieure à 2 en dehors d'une liste d'usages spécifiques autorisés .

La nouvelle norme :

• Classe 1 : lasers sans danger, à condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables prévisibles (EX :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 émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. La protection de l’œil est normalement assurée par les réflexes de défense comprenant le réflexe palpébral, clignement de la paupière (EX: des lecteurs de code-barres).
• Classe 2M : lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instrument optiques, peut être dangereuse .
• Classe 3A : lasers dont l’exposition directe dépasse l’EMP (Exposition Maximale Permise) pour l’œil, mais dont le niveau d’émission est limité à cinq fois la LEA (Limite d’Émission 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 dangereuses. Ils peuvent causer des dommages sur la peau et peuvent également constituer un danger d’incendie. Leur utilisation requiert des précautions extrêmes.

Les classes ont été déterminées en fonction des lésions que peut provoquer un laser, elles varient en fonction de la fréquence du laser, les lasers infrarouge (IR) et ultraviolet (UV) étant bien plus dangereux que le laser visible. Dans le domaine visible, pour un laser continu, les classes sont :

• Classe 1 : jusqu'à 0,39 µW.
• Classe 2 : de 0,39 µW à 1 mW.
• Classe 3A : de 1 à 5 mW.
• Classe 3B : de 5 à 500 mW.
• Classe 4 : au-delà de 500 mW.

•      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 :

• Holographie.
• Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc…).
• Électrophotographie , procédé des imprimantes laser.
• Télécommunications via réseaux de fibres optiques.
• Transmission inter-satellitaire.
• Désignateur laser de cibles lors d'attaques aériennes.

Métrologie :

• Télédétection.
• Collimation d'instrument optique (exemple : télescope newton).
• Granulométrie et vélocimétrie.
• Mesure de distance (télémétrie par interférométrie).
• Vibrométrie.
• Étude de l'atmosphère (Lidar).
• Métrologie des fréquences optiques.
• Caractérisation des matériaux par ellipsométrie ou spectroscopie.
• Visualisation d'ecoulements (tomographie laser).

Transfert de puissance:

• Refroidissement d'atomes par laser.
• Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP).
• Centrale solaire orbitale.
• Transmission d'énergie sans fil.

Procédés laser et matériaux:

• Fusion superficielle de matériaux.
• Soudure de matériau homogène ou hétérogène.
• Découpe.
• Perçage par percussion.
• Fabrication additive.
• Décapage de surface.
• Durcissement de surface
• Choc par ablation laser (test d'adhérence à l'interface de matériaux hétérogènes…).
• Dopage laser des semi-conducteurs.

Interaction laser/matière : phénomènes physiques :

• Photoacoustique .
• Acousto-optique (voir aussi Modulateur acousto-optique).
• Fluorescence induite par laser.
• Diffusion dynamique de la lumière.
• Accélération laser-plasma.

Applications Médicales:

• Ophtalmologie.
• Tabacologie : laser doux, Traitement contre les dépendances.
• Dermatologie : épilation laser, détatouage laser, ...
• Dentisterie : laser dentaire Erbium, laser dentaire YAP.
• Physiothérapie (débridement).
• Trépanation.
• traitement de certains types de douleurs avec un laser basse énergie : l'efficacité semble probante mais le mécanisme d'action reste inconnu.
• Urologie : traitement de l'hypertrophie bénigne de la prostate, destruction de calculs 
• urinaires, destruction de tumeurs urothéliales, destruction de condylomes.

Nucléaire:

• Fusion nucléaire contrôlée laser Mégajoule .

Artistique :

• Spectacle « son et lumière ».
• Harpe laser.
• Projection d'image sur écran dans les salles de cinéma numérique.