Laser
Définition : acronyme de l'anglais "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ("amplification de la lumière par émission stimulée de radiations") auparavant appelé maser pour "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation".
Le laser est un dispositif qui amplifie la lumière (et plus généralement tout rayonnement électromagnétique) et la fait converger en un étroit faisceau spatialement et temporellement cohérent. Ainsi la lumière laser est extrêmement directionnelle. De plus le rayonnement émis est d'une grande pureté puisqu'il ne contient qu'une longueur d'onde précise. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (masers) 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.
Il existe trois types de réactions photoniques possibles : l'émission spontanée, l'absorption et l'émission stimulée. Dans le premier cas, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et atteint un niveau d'énergie supérieur, il est excité. Le deuxième cas est la situation inverse. Un atome excité retombe spontanément à un niveau d'énergie inférieur en émettant de la lumière. Enfin, dans le dernier cas, la présence de lumière lors de la désexcitation d'un atome provoque l'émission d'autres photons qui ont alors les mêmes caractéristiques (longueur d'onde et direction) que celui qui était présent au départ.
Le principe du laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission induite de photons et enfin à accumuler le rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes, qui forme ce qu'on appelle une cavité résonante, avant de le relâcher sous forme de rayon. 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, de la lumière est injectée dans le milieu ce qui produit à cause des électrons excités une cascade de photons. Deux miroirs situés aux extrémités du laser se renvoient les photons émis, ainsi la lumière se densifie à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit libérée par une petite ouverture à l'extrémité du dispositif.
Il faut savoir que l'émission d'un faisceau continu est plus difficile à obtenir que l'émission par impulsions.
Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. Mais ce n'est qu'en 1954 que le premier maser (maser au gaz ammoniac) est conçu par J.P. Gordon, H.J. Zeiger et Ch.H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N.G. Bassov, A.M. Prokhorov, A.L. Schawlow et Ch.H. Townes contibuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtint pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard Ali Javan mit au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin alias Peter Pan construisit le premier laser à liquide.
Ironie de l'histoire, Townes, Bassov, Schawlow et Prokhorov reçurent un prix Nobel en 1964 pour leurs travaux en commun alors que Maiman, véritable inventeur du laser, ne reçu aucun prix.
Le laser resta un moment, une invention sans application pratique.
On classe les lasers selon cinq familles, en fonction de la nature du milieu excité.
Introduction
Principe du laser
Historique
Différents types de laser
Lasers à solide
Les lasers à solide utilisent des cristaux comme milieu d'émission des photons (le plus connu est le laser à rubis). Ce sont les lasers les plus puissants. En effet, ils fonctionnent de manière discontinue (impulsions de 12 femtoseconde). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible que dans l'UV ou les rayons X.
Exemple: Le laser Nd:Yag (Infra-rouge 1064 nm)Lasers à liquide
Dans les laser à liquide, le milieu d'émission est un colorant inorganique renfermé 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.Lasers à gaz
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 ou à néon qui sont utilisés dans les lecteurs de codes barres. A noter que les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances.
Exemple: Le laser CO2 (Infra-rouge 10,6 µm), HeNe (Rouge)Lasers à semi-conducteurs
Les lasers à semi-conducteurs utilisent principalement des diodes afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous et en électrons. Le faisceau est produit par la recombinaison des trous et des électrons. Ce sont les lasers les plus petits, c'est pour cela qu'ils sont utilisés pour les imprimantes ou les lecteurs optiques.Lasers à électrons libres
Ce type de lasers utilise les électrons d'un plasma afin de produire un rayonnement. Ils sont principalement utilisés pour la recherche car leurs fréquences peuvent être ajustées, allant de l'infrarouge aux rayons X.Applications