Types

Les Lasers
Plan
I) Historique et découvertes
II) Propriétés et fonctionnement
III) Types
IV) Applications
Historique
1905 : Einstein exprime l’existence du photon, ainsi que l’énergie
associée a une onde lumineuse.
1917 : Einstein anticipe la découverte des lasers par sa
théorie de l’émission stimulée de photons.
1953 : Charles Townes met au point le premier MASER
Albert Einstein
(Microwave Amplification by Stimulated Emission
of Radiations). Il s’agit du premier générateur de
rayonnement utilisant l’émission stimulée. L’invention
de Townes est un générateur micro-onde fonctionnant
au NH3 gazeux. Plusieurs de ces masers ont été réalisés
pendant les années 50.
Charles Townes
Historique (2)
1960 : Le premier laser fonctionnel fut fabriqué par Theodore
Maiman en 1960. Il découvrit que les ions de chrome d'un
rubis artificiel émettaient de la lumière rouge lorsqu'ils
étaient irradiés par la lumière verte d'une lampe au
xénon.
Maiman avec le
premier laser a rubis
1969 : L’armée met au point des lasers assez puissants pour mesurer
la distance Terre Lune.
Propriétés
La lumière ordinaire (soleil, lampe…) est constituée
d’une multitude d’ondes de longueurs d’onde très
variées qui n’oscillent pas en phase et qui sont donc
incohérentes. La lumière provenant d’un laser, ou
lumière cohérente, est monochromatique. Toutes les
ondes dans un faisceau laser ont la même longueur
d’onde, oscillent en phase et dans la même direction.
L’émission stimulée
La raison de la cohérence des faisceaux laser est qu’ils proviennent de l’émission
stimulée de lumière. En effet, nous créons un milieu excité (par des photons
d’ailleurs). Puis, une fois excité, on envoie un photon dans une direction. Ce photon va
rencontrer les électrons des autres atomes du milieu, qui par leur excitation, sont a
une couche électronique supérieure à celle à laquelle ils ont l’habitude d’être. La
différence d’énergie est alors mesurée de la façon suivante :
hC
E  h 

Propriétés
Avec h constante de Planck (= 6,62.10-34 Js) n fréquence du champ électromagnétique.
E représente un quantum d’énergie (en Joule), valeur minimale pour tous les échanges
énergétiques. c est la vitesse de la lumière (= 3.108 m/s) et  est la longueur d’onde du
rayonnement, exprimée en m. Les électrons excités vont donc redescendre à leur
couche normale et émettre un photon qui aura les mêmes caractéristiques que le
photon incident. On obtient alors un faisceau de lumière cohérente.
Voici un schéma qui résume le principe de l’émission stimulée. Le niveau le plus
énergétique est celui qui est le plus éloigné du noyau de l'atome.
a) un atome est désexcité par émission spontannée et émet un photon (en rose)
b) le photon émis interagit avec un atome excité du milieu
c) cet atome se
désexcite en
émettant un
photon
identique au
photon incident.
Propriétés
Voici une petite vidéo présentant clairement le fonctionnement du laser et du
système pompage/résonateur optique. Le milieu est caractérisé par des
particules possédant au moins un état excité métastable. Quand les photons du
faisceau sont assez nombreux, le laser émet…
Types
Le lasers a gaz:
Comme son nom l’indique ce type de laser se caractérise
par un milieu gazeux, excitable soit par stimulation
électrique, soit par stimulation optique.
Le lasers a solides:
Ce type de laser utilise un solide (le plus généralement un
cristal) comme milieu actif. Il se presente sous forme d’une
tige avec les extrémités parfaitement parallèles. Ce sont les
lasers les plus puissants mais leur sensibilité aux hautes
températures forcent leur utilisation en mode à impulsion
uniquement.
Lumière émise par un laser à
argon ionique.
Tiges de milieu actif pour lasers à solide.
Types
Les lasers a semi-conducteurs:
Ces lasers sont très différents des lasers vus précédemment. En
effet, leur atouts se situent au niveau de leur taille. La couche
active d’un tel laser mesure entre 0,1 et 2μm. De part ce fait, ils
sont utilisés dans les lecteurs laser ou encore dans les
imprimantes. Cependant, les semi conducteurs purs ne sont que
très peu intéressants pour l’émission de faisceau. Les SC sont donc
souvent dopés pour accroître leur efficacité.
Un laser à semi-conducteurs. Sa
D’autre types de lasers, comme les lasers chimiques (qui se
monture a 9 mm de diamètre.
dopent par réaction chimique et qui peuvent ensuite émettre un
photon) existent mais beaucoup d’entre eux font encore l’objet de recherches. Notons
simplement que les lasers à électrons libres sembles présenter des caractéristiques
très intéressantes, notamment la possibilité d’en ajuster la fréquence.
Applications
Médecine
L'étude des effets de l'interaction du rayonnement laser avec les tissus biologiques
a permis d'établir qu'ils dépendent des conditions de l'interaction entre le type de
tissu et le rayon émis, c'est-à-dire de la durée d'exposition, de la puissance, de la
longueur d'onde, de la nature du tissu, etc. Ce secteur d'application est l'un des
plus importants et il est en constant essor. Il est plus que qu’envisageable
maintenant que l’essentiel des interventions chirurgicales dans l’avenir se feront
entièrement ou au moins avec l’aide de lasers. Il utilise les propriétés de
directivité, de mono chromaticité et de cohérence du faisceau laser pour arriver à
ses fins. Ce domaine d'application est très complexe, car tous les tissus ne
répondent pas de la même façon.
Chirurgie oculaire au laser
Applications
Mesure
On utilise déjà beaucoup les lasers pour effectuer de la télémétrie ou encore des
mesures de toutes sortes. La cohérence et la précision des lasers est un atout majeur
dans ce domaine, et ils permettent notamment de prouver bon nombre de phénomènes
physiques non mesurables autrement que par technologie laser. Pour mesurer les
distances, on dirige sur une cible un éclair de lumière laser. La cible renvoie l’éclair,
comme écho. On peut ainsi mesurer le temps qu’il a fallu à l’éclair pour faire le trajet
aller-retour. C’est grâce a cette technique que nous pouvons aujourd’hui détecter les
infimes mouvement de la croûte terrestre annonçant un tremblement de terre…
Foreuse à guidage laser.
Applications
Recherche
Nous avons vu en cours le
principe du condensat de
Bose Einstein, état de la
matière atteint que à des
température extrêmement
basses. Ces températures
n’étaient atteignables que
grâce à un complexe
procédé qui comporte un
piégeage d’électrons entre
les faisceaux lasers pour les
ralentir (refroidir). Ceci est
donc une application à la
recherche de la technologie
laser.
Applications
Soudure et découpage
Les lasers peuvent aussi, par concentration forte d’énergie
en un point précis d’impact, créer une chaleur suffisante à
la découpe ou la soudure de métaux. Très utilisés dans les
usines automobiles modernes, il permet des découpes «
parfaites » en un temps bien inférieur à celui nécessaire à
une découpe mécanique identique.
Sa très haute précision lui permet aussi de graver des
composants électroniques composés de transistors de
seulement 0,13 μm (cette valeur diminuant régulièrement).
Soudure au laser
Découpe au laser
Conclusion
En conclusion nous avons vu que les lasers étaient une forme de
lumière particulière, monochromatique, cohérente, et capable de
pousser plus loin de nombreux domaines comme la médecine ou
encore l’industrie. En pleine expansion, les lasers vont évoluer
pour être de plus en plus puissants, précis, petits… et les
applications seront d’autant plus passionnantes à étudier.
Sources
Encyclopædia Britannica, http://www.britannica.com/
Institut National D'Optique, http://www.ino.ca/fr/realisations/main.asp
Laboratoires Bell, http://www.bell-labs.com/history/laser/
Microsoft Encarta Encyclopedia 2003.