LASERS

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Les principaux lasers

Il existe actuellement des centaines de types de lasers, puisqu'on est arrivé à pomper, pour les rendre amplificateurs de la lumière, un très grand nombre de matériaux solides, liquides ou gazeux. En revanche, le nombre des types de lasers d'utilisation courante est beaucoup plus restreint.

Les lasers à solides et liquides

Les lasers à néodyme dans des cristaux

Le néodyme (Nd) est une « terre rare » dont les atomes permettent un pompage « à quatre niveaux » vers un niveau supérieur E2 (en fait un groupe de niveaux d'énergies allant de 600 à 850 nanomètres ; 1 nm = 10—9 mètre). L'inversion de population apparaît entre deux niveaux d'écart correspondant à 1 064 nm. Les atomes de néodyme sont généralement incorporés (à une teneur de l'ordre du pour-cent en masse) à un cristal de YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium), mais ils peuvent aussi l'être à d'autres cristaux (YLF, fluorure de lithium et d'yttrium ; YVO4, vanadate d'yttrium...) et même à des verres (cf. infra). Dans le YAG, ce cristal est taillé en forme de barreau cylindrique, de longueur allant de 2 jusqu'à 15 centimètres, avec des diamètres d'environ le dixième de la longueur. Le pompage est effectué par une ou plusieurs lampes de très forte intensité, généralement placées très près du barreau, le tout étant enfermé dans un réflecteur ou un diffuseur aussi parfait que possible, pour améliorer l'éclairement du cristal (fig. 2a). Les miroirs qui constituent le résonateur sont soit déposés sur les extrémités du barreau, soit placés à distance pour les rendre démontables ou pour intercaler des éléments optiques.

Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon

Dessin : Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon

Schémas d'un laser solide, le laser Nd-YAG (a), et d'un laser à gaz (c), le laser hélium-néon (b représentant les niveaux d'énergie de He et Ne). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dans les solides, l'intensité requise pour obtenir N1 > N3 est très forte, et, globalement, le rendement énergétique des lasers est faible, l'énergie recueillie dans le faisceau n'étant qu'une petite fraction de celle du pompage. En effet, la plus grande part de cette dernière est absorbée par les transitions intermédiaires comme E2 — E1, et par les émissions spontanées des différents niveaux, pour finalement aboutir à l'échauffement (voire à la destruction) de l'amplificateur. C'est pourquoi, en général, on ne maintient pas le pompage en permanence, la (ou les) lampe(s) ne fonctionnant que par impulsions de quelques millisecondes (ms), durant lesquelles l'oscillation laser a le temps de s'établir. Le processus peut être répété jusqu'à plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines, de fois par seconde. Ces lasers sont donc impulsionnels.

On peut obtenir dans la plupart des lasers des impulsions beaucoup plus puissantes avec le fonctionnement « déclenché », dans lequel on bloque temporairement le passage de la lumière entre les miroirs, ce qui permet au pompage d'accumuler au niveau supérieur de la transition laser une population très accrue d'atomes excités. L'amplification devient alors très élevée. Si, à cet instant, on rétablit brusquement le passage de la lumière (un moyen d'y parvenir consiste à utiliser une « cellule de Pockels » pour interdire ou permettre la transmission en lumière polarisée), l'émission a lieu sous forme d'une impulsion unique très puissante et très courte. On peut typiquement, avec les lasers au néodyme, produire des puissances dépassant 107 watts, d'une durée de quelques nanosecondes (10—9 s) à quelques dizaines de nanosecondes. Des puissances encore plus élevées peuvent être obtenues en faisant passer la lumière laser par des amplificateurs successifs, constitués de barreaux de plus en plus gros (voir infra). Entre les amplificateurs, on place des « isolateurs optiques » qui visent à interdire toute oscillation « parasite ».

Un intérêt déterminant des puissances élevées est qu'elles font apparaître dans la matière des comportements non linéaires. Une lumière laser très intense va ainsi, dans certains matériaux transparents, engendrer des lumières de fréquence double, triple, etc. Le faisceau infrarouge du laser Nd est couramment transformé en faisceau vert (532 nm), bleu (335 nm), etc., par simple traversée d'un cristal approprié. Les rendements peuvent atteindre 60 p. 100 pour le vert. Ces « effets non linéaires » sont très largement utilisés avec les lasers impulsionnels, mais ils sont aussi accessibles avec certains lasers continus. Ils accroissent beaucoup l'intérêt et les domaines d'application des lasers, en multipliant le nombre de leurs longueurs d'onde. Il y a cependant une limite : aux intensités extrêmes, le champ lumineux du laser atteint le seuil de rupture diélectrique (seuil de « claquage ») des matériaux transparents traversés, détruisant ceux-ci. En pratique, on ne dépasse guère, en impulsions, quelque 108 watts par centimètre carré de section du barreau.

Mais le fonctionnement impulsionnel n'est pas seul possible : un refroidissement très énergique du barreau permet le fonctionnement continu, surtout pour des usages industriels. On obtient jusqu'à 250 watts de puissance moyenne avec un seul barreau, mais, là également, on peut augmenter la puissance émise, jusqu'à plusieurs kilowatts en utilisant plusieurs amplificateurs.

Enfin, on sait aussi pomper le laser YAG avec des « diodes laser » (voir infra), qui peuvent être fabriquées pour émettre précisément dans le proche infrarouge, où sont les bandes d'absorption du Nd. Le rendement est beaucoup plus élevé et l'échauffement du cristal, plus réduit, conduit à un faisceau laser d'excellente qualité et très stable, au point que le pompage par diodes commence à supplanter celui par lampe. Enfin, notons que d'autres terres rares que le néodyme, comme par exemple l'erbium (Er) et l'ytterbium (Yb), convenablement « pompées », permettent elles aussi de construire des lasers (émettant vers 1,5 μm et 2,9 μm pour Er, vers 1,1 μm pour Yb).

Compte tenu de leur éventail très large de possibilités, les lasers à néodyme dans le YAG et les autres lasers à solides pompés par lampe(s) représentent encore le plus gros du marché des lasers, hors semiconducteurs.

Les lasers à néodyme dans des verres

Les atomes de Nd peuvent aussi être incorporés à du verre. Celui-ci ne présente qu'une faible conductivité thermique, ce qui limite sévèrement les puissances moyennes. En revanche, on peut fabriquer avec du verre « dopé » au Nd de très gros barreaux, capables de délivrer – à très faible cadence, pour qu'ils aient le temps de se refroidir – de grandes quantités d'énergie, plusieurs milliers de joules par impulsion pour un barreau de 1 mètre de longueur et de 10 centimètres de diamètre. Pour obtenir des puissances encore plus élevées, avec une très bonne qualité de lumière, on utilise un « pilote » : laser de faible puissance, mais de grande qualité de faisceau (souvent pompé par des diodes laser – voir infra) dont la lumière sera ensuite amplifiée dans une succession d'amplificateurs, barreaux (on utilise aussi des plaques) de verre dopé de tailles croissantes. Selon la durée de l'impulsion issue du pilote, l'imp [...]

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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

Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon
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Laser semiconducteur

Laser semiconducteur
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Lasers : caractéristiques

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 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lasers/