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Article dossier jeunes | La physique | Le laser : un concentré de lumière

La lumière laser (1/5)

Dans les années 60 naissaient les premiers LASERs, acronyme de “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications : les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne au cœur de nos lecteurs de disques compacts ou dans les lecteurs des codes-barres dans les supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres sont de grands travailleurs de précision. Dans l’industrie, ils coupent, ils soudent et percent. En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?
Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, soudage, découpage…) mais ils innovent et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques. C’est le cas de nombreux lasers de puissance à l’aide desquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une très forte énergie avec la matière.
Les lasers sont des outils souvent indispensables pour de nombreuses applications, mais il ne faut pas oublier les risques qui y sont associés. Une unité du CEA en étudie les effets sur l’organisme.
La recherche sur la technologie des lasers n’est pas terminée. De nouvelles applications pourraient voir le jour dans quelques années.

Mis à jour le mars 2011

Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules de nos maisons. Les propriétés du laser vont être à la base des applications utilisant ce type de lumière.

LA FABRICATION DE LA LUMIÈRE LASER
L’émission stimulée
Un atome, un ion ou une molécule excités peuvent libérer leur énergie par émission spontanée d’un photon. Cependant, il existe un autre mode d’émission, l’émission stimulée d’un photon prévue par Albert Einstein en 1917.
Décrivons le phénomène. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée émet un photon grâce à la stimulation que provoque l’arrivée d’un photon de même énergie que celui qu’il pourrait potentiellement émettre. La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction de la trajectoire et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.

L’inversion de population
L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
La seule découverte de l’émission stimulée n’a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Il n’est donc pas possible de provoquer assez d’émission stimulée pour produire de la lumière laser. Il fallait trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir dans le milieu plus d’atomes (ou ions ou molécules) excités que d’atomes au repos. Ce processus est appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, apporta une solution à ce problème : le pompage optique. Cette méthode permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis, un cristal d’alumine contenant un léger pourcentage (0,05 %) d’oxyde de chrome. Ces ions chrome absorbent facilement le vert et le bleu (d’où la couleur rouge du rubis) et peuvent être excités en les éclairant avec un flash intense de lumière blanche. Ils émettent ensuite leur énergie sous forme de photons de lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde) de manière stimulée ou non. Les premiers lasers furent donc des lasers à rubis. Le pompage optique n’est pas la seule façon d’obtenir l’inversion de population. Celle-ci peut être aussi provoquée par décharge électrique ou par certaines réactions chimiques.

  

Tableau de comparaison entre la lumière ordinaire et la lumière laser
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  Excités 
L’excitation d’un système est l’augmentation de son énergie.
Faisceau laser.
© CEA/A. Gonin
“La lumière laser est composée de photons qui possèdent strictement les mêmes caractéristiques.”

Schéma de la désexcitation spontanée d'un atome
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“Dans l’oscillateur, une source d’énergie lumineuse, électrique ou chimique excite les particules du milieu laser qui émettent alors de la lumière.”

L’oscillateur laser
Pour fabriquer la lumière laser, il faut un oscillateur laser et une source d’énergie (voir schéma l'oscillateur laser).
L’oscillateur est une sorte de boîte en forme de cylindre allongé avec, à chacune de ses extrémités, un miroir. Il contient le milieu laser qui est une collection de particules excitables (atomes, ions ou molécules) se trouvant sous forme de solide, de liquide ou de gaz. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide. Les particules excitables sont les ions chrome.
La source d’énergie en fournit assez aux particules pour obtenir une inversion de population (plus de particules excitées que de particules non excitées). L’énergie absorbée par les particules du milieu laser pourra être potentiellement libérée sous forme de lumière. La source d’énergie peut être de différents types : lumineuse, électrique ou chimique, par exemple.
L’oscillateur laser va servir à produire la lumière. Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs (voir schéma l'oscillateur laser). En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées.
Un peu comme dans une réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : c’est la première amplification de la lumière laser.
Pour que le faisceau laser sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est semi-transparent (une partie de la lumière n’est pas réfléchie par le miroir, elle traverse le miroir comme s’il était transparent).
Lorsque la source d’énergie excite en continu les particules du milieu laser, l’oscillateur produit de la lumière laser en continu. Après une rapide phase de mise en route, le rayon sortant garde une puissance constante. Si la source d’énergie envoie par intermittence une décharge d’énergie dans l’oscillateur, la lumière laser est produite de manière discontinue, par impulsions très brèves et très intenses. On dit que le laser est impulsionnel. C’est, par exemple, le cas avec le pompage optique où l’énergie est apportée par un flash lumineux comme celui d’un appareil photographique.

“L’amplificateur déclenche une réaction en chaîne produisant de nombreux photons identiques : la lumière laser est amplifiée
et beaucoup plus puissante.”

Les amplificateurs laser
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la lumière laser émise par l’oscillateur dans une série d’amplificateurs.
L’amplificateur est constitué d’un milieu laser sans miroirs aux extrémités. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser sont excitées par une source d’énergie et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la lumière laser est amplifiée. Étant donné l’absence de miroirs, les photons ne passent qu’une fois dans le milieu laser.
Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faudra augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs afin d’éviter que l’énergie grandissante de la lumière laser ne casse les composants optiques (milieux laser en verre…). Il sera ensuite focalisé par une lentille. La suite constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et d’autres composants optiques (miroirs, lentilles…) constitue une chaîne laser.

  
Oscillateur d’un laser à colorant.
© CEA/A. Gonin

Schéma d'un oscillateur laser
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“L’oscillateur laser est une sorte de boîte en forme de cylindre allongé avec, à chacune de ses extrémités, un miroir.”
  Puissance 
Énergie délivrée par unité de temps. L’énergie est mesurée en joules (J) et la puissance est mesurée en watts (W). Un watt égale un joule par seconde.

Schéma de la chaîne d'amplification laser
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