LASERS

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Inventé en 1958 par les Américains Arthur L. Schawlow et Charles H. Townes et le Russe Nikolaï G. Bassov, le laser est un dispositif qui engendre des rayonnements particuliers grâce à une technique spéciale d'émission dite « stimulée », par opposition à celle des sources usuelles de lumière qui est « spontanée ». Ce terme est formé des initiales des mots anglais light amplification by stimulated emission of radiation, qui signifie amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.

Rappelons que la lumière est un champ électrique alternatif oscillant, qui s'inverse un grand nombre de fois par seconde. Ce champ, associé à un champ magnétique (l'ensemble constituant un champ électromagnétique), se propage dans une direction qui lui est perpendiculaire. Il est de même nature que celui des ondes radio, télévision, radar, mais il vibre à une fréquence des millions de fois plus élevée, tellement élevée que seuls des atomes (ou des molécules) convenablement excités (usuellement par réaction chimique ou collision) peuvent l'engendrer. L'émission de chacun de ces atomes n'a qu'une durée infime (inférieure à 10—14 s), mais leur multitude donne à la lumière naturelle son aspect continu. De la fréquence d'oscillation du champ dépend la couleur de la lumière, et de sa valeur dépend l'intensité lumineuse.

L'éclairement créé par les sources usuelles résulte donc de la superposition de la multitude des champs lumineux créés par chacun des points rayonnants (atomes, molécules) de la source (soleil, lampes, néons...), qui s'additionnent dans le désordre (on pourrait dire que ces points s'ignorent mutuellement). En revanche, dans les lasers, le processus d'« émission stimulée », combiné aux propriétés des résonateurs, synchronise les champs lumineux émis par toutes les zones émettrices du laser, champs qui en chaque point se retrouvent dans le même sens et s'additionnent donc en ordre (« en phase ») : on dit que cette lumière est « cohérente ». L'intensité lumineuse correspondante va donc être immensément supérieure à celle d'une source conventionnelle de même puissance. De ces spécificités, résultent les propriétés de la lumière des lasers. En particulier, l'onde « cohérente » émise par un laser peut être « manipulée » comme on ne savait le faire auparavant que pour les ondes hertziennes :

– On peut la focaliser sur un très petit volume et y créer ainsi des concentrations d'énergie supérieures à ce que l'on sait obtenir par tout autre moyen.

– On peut aussi la former en un faisceau presque parfaitement parallèle, capable de transporter la lumière à grande distance. C'est ainsi que de tels faisceaux peuvent pointer des cibles lointaines pour guider bombes ou missiles, mais aussi, bien plus loin, pour éclairer (voire aveugler, et rendre inopérant) des satellites militaires d'observation. Enfin, concentrés par de grands télescopes, ces faisceaux ont pu atteindre la Lune puis en être renvoyés vers la Terre : les astronomes mesurent ainsi, avec une précision de quelques centimètres, la distance Terre-Lune. Plus modestement, les faisceaux de petits lasers servent à matérialiser les niveaux sur les chantiers de construction, ou guident les machines de percement des tunnels.

De plus, dans la plupart des lasers, le résonateur non seulement maintient en phase, à chaque instant, les points émissifs, mais encore conserve leur synchronisme pendant une période relativement longue. De ce fait, l'onde émise à chaque instant conserve une relation de phase avec celles émises précédemment. On peut donc les superposer pour obtenir des « interférences » conduisant à des mesures de dimensions, de positions ou de vitesses d'une extrême précision. Le laser a ainsi permis des applications spectaculaires, comme l'enregistrement d'images en relief par « holographie ».

La diversité et l'intérêt des applications du laser ont poussé à des développements incessants et considérables. De nouveaux matériaux ont permis de diversifier les fréquences émises qui, parties des domaines de l'infrarouge et du visible, atteignent désormais l'ultraviolet et touchent aux rayons X. Du fait de l'accroissement de leur puissance et de la baisse de leurs coûts, les lasers envahissent notre vie et nos produits quotidiens : du lecteur de code-barres ou de DVD, à la chirurgie oculaire, en passant par la soudure et la découpe des métaux...

Les fondements physiques

Émission stimulée et amplification de lumière

Le laser met en œuvre l'« émission stimulée » de rayonnement, phénomène prédit par Albert Einstein, dès 1917, pour expliquer l'émission spectrale des corps (cf. encadré Histoire de la technique Laser).

On sait que les atomes, qui constituent la matière, sont formés d'un noyau et d'électrons. Ces derniers, en mouvement autour du noyau, ne peuvent occuper que des orbites bien déterminées, caractéristiques de l'atome. Chacune de ces configurations possibles de l'ensemble noyau-électrons est un « état » de l'atome. Dans chaque état, l'ensemble noyau-électrons possède une énergie définie, celle qu'il aurait fallu fournir pour constituer l'atome à partir de ses composants, initialement séparés.

Le nombre des états étant limité, les valeurs d'énergie possibles le sont aussi : ce sont les « niveaux d'énergie » ou, simplement, les « niveaux » de l'atome considéré, notés E0, E1, E2, etc.

L'état E0, dans lequel les électrons sont le plus près possible du noyau, correspond au niveau d'énergie minimale. De ce fait, il est parfaitement stable : c'est l'état « fondamental ». Les états d'énergie supérieure E1, E2, etc., sont dits « excités ». Dans chacun d'eux, l'atome ne peut se maintenir qu'un certain temps : sa « durée de vie » (dans cet état) est notée t1, t2, etc.

Un atome peut passer de l'état E0 à l'état E1, et ainsi de suite, s'il reçoit de l'extérieur l'énergie (E E0) nécessaire, par exemple sous la forme d'un photon de fréquence ν telle que : h × ν = E1 — E0, où h est la constante de Planck. C'est par ce mécanisme que les atomes « absorbent » la lumière (fig. 1a). Or l'état E1, on l'a vu, n'est pas stable : après un temps très court (t1), l'électron regagne l'orbite E0 en restituant l'énergie (E1 — E0), restitution qui peut s'effectuer, par exemple, par l'émission d'un photon de même fréquence ν que celle qui avait provoqué le passage de E0 à E1 : c'est l'« émission spontanée » (fig. 1b). Lorsqu'il y a, sous E1, un ou plusieurs niveaux d'énergie plus faibles, l'émis [...]

Interactions atome-lumière et pompage optique

Dessin : Interactions atome-lumière et pompage optique

Les interactions atome-lumière (a, b et c) et le pompage optique (d et e) [E : niveau d'énergie ; N : population d'atomes sur ce niveau]. 

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Interactions atome-lumière et pompage optique

Interactions atome-lumière et pompage optique
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Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon

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Laser semiconducteur

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Lasers : caractéristiques

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Écrit par :

  • : professeur à la faculté de médecine, université de Paris-XI, service d'explorations fonctionnelles cardio-vasculaires et respiratoires, hôpital de Bicêtre
  • : ingénieur, École polytechnique, docteur ès sciences

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Pour citer l’article

Yves LECARPENTIER, Alain ORSZAG, « LASERS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lasers/