| I |
Définition |
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L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. C'est l'acronyme anglais de "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (en français, "amplification de la lumière par émission stimulée de radiations"). La plupart des amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser. Une source laser est une source de lumière cohérente basée sur l'effet laser. Descendant du maser, il s'est d'abord appelé maser optique. |
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Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, encore appelée resonnateur, généralement constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des deux est semi-réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent que le faisceau émis est généralement peu divergent, c'est à dire spatialement cohérent. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extremement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent également que le rayonnement émis est d'une grande pureté spectrale, c'est à dire temporellement cohérent. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des longueurs d'ondes définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'emission spontanée au sein de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission sur une seule longueur d'onde. |
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Au XXIe siècle, le laser est plus généralement vu comme un amplificateur de tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière visible. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et on commence même à les appliquer aux rayons X. |
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| II |
Le principe du laser |
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La matière est formée d'atomes, eux-mêmes constitués d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour. Les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergies (« couches ») caractérisés par un nombre quantique n (nombre entier naturel supérieur ou égal à 1). Plus n est petit (proche de 1), plus les électrons sont « proches » du noyau, et plus il faut d'énergie pour les « arracher » à l'atome. Chaque état de l'atome correspond à une énergie bien précise, négative par convention (parce qu'il faut fournir de l'énergie pour arracher les électrons, l'état où l'électron est libre étant pris comme conventionnellement le niveau d'énergie nulle). |
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Du point de vue atomique, il existe trois types de réactions photoniques possibles : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée. |
| 1. |
- Dans l'absorption, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et un de ses électrons atteint alors le niveau d'énergie supérieur (plus loin du noyau) ; l'atome est alors dans un état dit excité, instable : il est prêt à rendre l'énergie qu'il a acquise pour retourner à son état antérieur (ou un autre état stable). Dans le cas des laser, on parle de « pompage optique ». Noter que le pompage optique n'est pas la seule méthode pour mettre des atomes dans un état excité : il est possible par exemple d'exploiter une réaction chimique, ou encore un bombardement par d'autres sortes de particules.
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| 2. |
- L'émission est le phénomène inverse : un atome excité retombe à un état plus stable. L'électron dans un haut niveau d'énergie retourne à un état d'énergie plus basse, et l'atome émet le surplus d'énergie sous la forme d'un photon ; le retour à l'état le plus stable peut passer par plusieurs étapes (plusieurs états d'énergie intermédiaires), auquel cas il y aura l'émission de plusieurs photons qui se partageront l'énergie d'excitation. Les photons ainsi produits ont tous une énergie bien précise, correspondant à la différence d'énergie entre l'état de départ de l'atome et son état final.
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| 3. |
- L'émission peut se produire spontanément, mais elle peut également être stimulée par un photon dont l'énergie correspond à l'énergie d'un photon que l'atome excité peut produire spontanément. Dans ce cas, la désexcitation de l'atome provoque l'émission d'un autre photon qui a exactement les mêmes caractéristiques (longueur d'onde, direction et phase) que celui qui a provoqué la désexcitation (même état vibratoire des deux photons) : on obtient donc deux photons identiques. Le phénomène laser provient d'un effet d'avalanche : chacun des deux photons identiques peut à son tour provoquer la désexcitation d'autres atomes, produisant toujours plus de photons toujours identiques.
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Le principe de la source laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission stimulée de photons. Pour cela, un laser possède un réservoir d'électrons (ce réservoir peut être solide, liquide ou gazeux) associé à une source excitante qui « pompe » les électrons à de hauts niveaux d'énergies. Dans un second temps, un photon est injecté dans le milieu, ce qui produit, pendant la désexcitation d'un des atomes, un deuxième photon identique. Ces deux photons produisent à leur tour deux autres photons identiques pendant la désexcitation de deux autres atomes. C'est une réaction en chaîne. Outre l'intensification du rayon laser, ce phénomène consomme très rapidement les atomes excités, qu'il est difficile de reconstituer aussi vite : il est donc très difficile de faire fonctionner un laser en mode continu. En pratique, ils fonctionnent en mode par impulsions (mais on peut obtenir des « rafales » tellement dense que la différence avec un mode continu est peu sensible). |
| III |
Différents types de laser |
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On classe les lasers selon cinq familles, en fonction de la nature du milieu excité. |
| 1. |
Cristallins (à solide) |
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Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion du chrome (Cr4+). D'autres ions sont très utilisés (la plupart des terres rares : le néodyme (Nd), l'ytterbium (Yb), le praséodyme(Pr), l'erbium (Er), le thulium(Tm)..., le titane et le chrome, entre autres). La longueur d'onde d'émission du laser dépend essentiellement de l'ion dopant, mais la matrice influe aussi. Ainsi, le verre dopé au néodyme n'émet pas à la même longueur d'onde (1053 nm) que le YAG dopé au néodyme (1064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes -->millionnième de millliardième de seconde). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible, le proche infrarouge que l'ultraviolet. |
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Le milieu amplificateur peut être un barreau dans le cas d'un laser Nd : YAG (donc dopé au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre (donc dopé au Yb et la matrice est en silice). |
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Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable, ces lasers permettent d'obtenir des puissances de l'ordre du kW en continu et du GW en pulsé. Ils sont utilisés pour des applications tant scientifiques qu'industrielles, en particulier pour le soudage, le marquage et la découpe de matériaux. |
| 2. |
À colorants |
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Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant inorganique en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur, ce qui rend ce type d'appareil très précis. Le choix du colorant détermine essentiellement la couleur du rayon qu'il émettra. |
| 3. |
À gaz |
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Le milieu générateur de photons est ici un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très pure. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium-néon qui sont utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles. |
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À noter que les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 106 W. |
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Exemples : le laser CO2 (infrarouge, à 10,6 µm) et le laser hélium-néon (He-Ne) (rouge, à 632,8 nm). |
| 4. |
À semi-conducteurs - diodes laser - VCSEL |
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Ces lasers sont principalement constitués d'une diode à semi-conducteur, afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous d'un côté et en électrons de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Souvent, ce type de laser ne présente pas de miroirs de cavité : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un coefficient de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser. |
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C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaire) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : tout d'abord, il permet un couplage direct entre l'énergie électrique et la lumière, d'où les applications en télécommunications (à l'entrée des réseaux de fibres optiques). De plus, cette conversion d'énergie se fait avec un bon rendement (de l'ordre de 30 à 40 %). Ces lasers sont peu coûteux, très compacts (la zone active est micrométrique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilisés et les moins coûteux. Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), télécommunications, imprimantes, dispositifs de « pompage » pour de plus gros lasers (de type lasers à solide), pointeurs, etc. Noter que la réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres. |
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Quelques bémols tout de même, la lumière émise est en général moins directionnelle et moins « pure » spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz en particulier). Ce qui n'est pas un problème dans la majorité des applications. |
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Un dispositif très proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL (Diode ÉlectroLuminescente, LED) : le dispositif de pompage est le même, mais la lumière n'est pas stimulée, elle est produite par désexcitation spontanée, de sorte que la lumière produite ne présente pas les propriétés de cohérence caractéristique du laser. |
| 5. |
À électrons libres (LEL) |
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Ce type de laser est très particulier, car son principe est tout à fait différent de celui exposé plus haut. La lumière n'y est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un rayonnement synchrotron produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique périodique (grâce à un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifié et devient cohérent , c’est-à-dire qu'il acquiert les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers. |
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Il suffit de régler la vitesse des électrons pour fournir une lumière de fréquence ajustée très finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux élevés. On peut également disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus coûteux à produire. |
| 6. |
Fibrés |
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Le laser fibré est le dernier né de la technologie laser. Sa conception est assez révolutionnaire, car le milieu actif est une fibre optique dopée avec un gaz qui est l'ytterbium. Ce laser possède sensiblement les mêmes longueurs d’onde que le laser YAG. Cependant, il est plus compact puisque son mode de refroidissement est interne et de petite taille. Il a également une meilleure qualité de faisceau, le diamètre de ce dernier étant plus faible, il a donc une meilleure résolution de marquage. |
| IV. |
Sécurité |
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Selon la puissance (physique) et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine. |
| 1. |
Classe I |
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Lasers qui ne sont pas dangereux pour une vision en continu ou sont fabriqués pour éviter une vision humaine. Cela concerne typiquement des lasers de faible puissance ou des lasers dans des boîtiers (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD). |
| 2. |
Classe II |
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Lasers émettant une lumière visible causant une gêne suffisante à l'œil, ne représentent pas un danger pour de courtes périodes. Ceux-ci peuvent être assimilés à une source de lumière intense. |
| 3. |
Classe IIa |
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Lasers émettant une lumière visible n'étant pas faite pour être vue et ne devant pas causer de dommages en cas de vue directe pendant moins de 1000 secondes (par exemple, des lecteurs de code-barres). |
| 4. |
Classe IIIa |
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Lasers qui ne devraient pas normalement être dangereux si vus temporairements, mais pourraient présenter un danger si vus à travers des appareils optiques focalisants (exemples : loupes et télescopes). |
| 5. |
Classe IIIb |
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Lasers qui présentent un danger si vus directements, et peuvent causer des brûlures, aussi bien directement que par réflexion, mais pas par diffraction autre qu'à courte distance. |
| 6. |
Classe IV |
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Lasers qui représentent un danger aussi bien par vue directe que par réflexion et diffraction. Ces derniers peuvent également causer des incendies. |
