Le laser produit une lumière monochromatique, unidirectionnelle et dont toutes les ondes sont en phase.

Il est constitué d’une cavité avec un miroir à chaque extrémité et d’un milieu amplificateur, ou milieu laser, placé entre deux miroirs. Excité par une source d’énergie, le milieu émet une lumière qui circule entre les miroirs et est amplifiée à chaque passage. L’un des miroirs est choisi légèrement transparent pour permettre au faisceau laser de sortir de la cavité.

Sa longueur d’onde est déterminée par la nature du milieu.

On peut ainsi distinguer les lasers selon la nature du milieu amplificateur : liquide, solide ou gaz.

• Les lasers à liquides sont les lasers à colorants utilisés par exemple en spectroscopie.
• Dans les lasers à solides, le milieu est un cristal (rubis, titane-saphir…), un verre (verre dopé au néodyme…) ou, depuis peu, une céramique. Il existe également des diodes lasers, telles celles que l’on trouve dans les lecteurs de CD ou de DVD.
  
• Les lasers à gaz (argon, krypton, hélium-néon, etc.) sont notamment utilisés dans les discothèques et les spectacles.

Dès l'invention du laser en 1960, le CEA a perçu l'utilité de cet outil pour la recherche en sciences de la matière. Les chercheurs ont conçu et développé de nouveaux lasers pour répondre à des besoins spécifiques.

Aujourd’hui, le CEA continue à développer les technologies laser, en même temps qu’il en utilise les propriétés pour de nombreuses applications.

Les chercheurs poussent la technologie dans ses limites en jouant sur deux critères principaux, la brièveté des impulsions laser – jusqu’à la femtoseconde (10^-15 sec.), et l’on parle de physique à très haute intensité – et l’énergie des faisceaux – on parle alors de physique à très haute densité d’énergie.

Par l’instrumentation exceptionnelle qu’ils requièrent, ces deux domaines de la recherche retiennent aujourd’hui l’attention, avec les installations du plateau de Saclay pour les lasers très intenses, et le projet Laser Mégajoule (LMJ), en Aquitaine, pour les lasers de puissance. Pour autant, ils ne constituent qu’une partie des développements et applications menés au CEA.

UTILISATION ET DéVELOPPEMENT DES LASERS AU CEA

Des lasers de plus en plus énergétiques

Au début des années soixante, la Direction des applications militaires (DAM) du CEA a vu dans les lasers un outil pour étudier la fusion par confinement inertiel. Les premiers neutrons issus d’une fusion nucléaire par laser ont été produits sur le centre de Limeil en 1969. Depuis, plusieurs générations de lasers à solides, délivrant des impulsions toujours plus puissantes et plus énergétiques, ont été conçues et développées à la DAM, avec l’appui de nombreux partenaires industriels. Dernière née, la Ligne d’intégration laser fonctionne au CEA Cesta, Centre d’études scientifiques et techniques d’Aquitaine, depuis 2002. Elle préfigure le Laser Mégajoule qui, à partir de 2014-2015, produira des impulsions de 1,8 millions de joules pour une puissance de 500 TW environ.

Des lasers de plus en plus brefs

A la Direction des Sciences de la Matière, les chercheurs du CEA ont très tôt cherché à développer des lasers à impulsions courtes et puissantes pour étudier des phénomènes fugitifs, une réaction chimique par exemple, ou nécessitant une forte densité de puissance (physique des champs forts). Grâce à ces outils, les scientifiques mènent des expériences de "femtochimie" : ils peuvent par exemple observer les réactions au sein de molécules photochromes, en vue d’étudier les futures mémoires optiques, ou tester des molécules pressenties pour constituer des supports photovoltaïques. Aujourd’hui, les lasers du Saclay Laser matter Interaction Center, SLIC, délivrent des impulsions dont l’extrême brièveté, quelques dizaines de femtosecondes, et la puissance, de 0,4 à 10 TW - jusqu'à 100 TW puissance-crête - permettent d’ioniser fortement les atomes, de suivre leur mouvement au cours d’une réaction chimique, ou encore de produire des sources ultra-brèves de rayonnement ionisant.

Des technologies laser adaptables

Dans le cadre de recherches pour l’énergie nucléaire, le CEA a développé des lasers originaux : des lasers à colorant accordables, c'est-à-dire dont on peut régler la longueur d’onde, et des lasers à solides de forte puissance et à haute cadence de répétition, utilisés comme sources d’énergie pour les lasers à colorants. Les compétences ainsi acquises par le Laboratoire interaction laser-matière (LILM) de Saclay ont été valorisées avec le développement de lasers pour une source destinée à la nanolithographie, développés dans le cadre du projet européen Exulite. Avec la plate-forme Plani, le CEA conçoit et développe des lasers à solide et des procédés laser pour répondre à des demandes du CEA et d’industriels.

Des applications et des développements variés

Les lasers sont installés dans la vie quotidienne via de multiples applications : CD et DVD, lecture de codes-barres, spectacles laser, soudure ou découpe en milieu industriel, applications médicales, alignement de routes ou de tunnels… Le CEA suit les développements du laser, autant dans la technologie elle-même que dans ses applications. En améliorant la technologie, les scientifiques peuvent explorer de nouveaux domaines de connaissance ; ils utilisent également différents types de lasers et augmentent leurs performances pour des recherches concernant des domaines variés : environnement, énergie, technologies de l’information.