Les Lasers

Plan Historique et découvertes Propriétés et fonctionnement Types Applications

Historique 1905 : Einstein exprime l’existence du photon, ainsi que l’énergie associée a une onde lumineuse. 1917 : Einstein anticipe la découverte des lasers par sa théorie de l’émission stimulée de photons. 1953 : Charles Townes met au point le premier MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiations). Il s’agit du premier générateur de rayonnement utilisant l’émission stimulée. L’invention de Townes est un générateur micro-onde fonctionnant au NH3 gazeux. Plusieurs de ces masers ont été réalisés pendant les années 50. Albert Einstein Charles Townes

Historique (2) 1960 : Le premier laser fonctionnel fut fabriqué par Theodore Maiman en 1960. Il découvrit que les ions de chrome d'un rubis artificiel émettaient de la lumière rouge lorsqu'ils étaient irradiés par la lumière verte d'une lampe au xénon. 1969 : L’armée met au point des lasers assez puissants pour mesurer la distance Terre Lune. Maiman avec le premier laser a rubis

Propriétés L’émission stimulée La lumière ordinaire (soleil, lampe…) est constituée d’une multitude d’ondes de longueurs d’onde très variées qui n’oscillent pas en phase et qui sont donc incohérentes. La lumière provenant d’un laser, ou lumière cohérente, est monochromatique. Toutes les ondes dans un faisceau laser ont la même longueur d’onde, oscillent en phase et dans la même direction. L’émission stimulée La raison de la cohérence des faisceaux laser est qu’ils proviennent de l’émission stimulée de lumière. En effet, nous créons un milieu excité (par des photons d’ailleurs). Puis, une fois excité, on envoie un photon dans une direction. Ce photon va rencontrer les électrons des autres atomes du milieu, qui par leur excitation, sont a une couche électronique supérieure à celle à laquelle ils ont l’habitude d’être. La différence d’énergie est alors mesurée de la façon suivante :

Propriétés Avec h constante de Planck (= 6,62.10-34 Js) n fréquence du champ électromagnétique. E représente un quantum d’énergie (en Joule), valeur minimale pour tous les échanges énergétiques. c est la vitesse de la lumière (= 3.108 m/s) et l est la longueur d’onde du rayonnement, exprimée en m. Les électrons excités vont donc redescendre à leur couche normale et émettre un photon qui aura les mêmes caractéristiques que le photon incident. On obtient alors un faisceau de lumière cohérente. Voici un schéma qui résume le principe de l’émission stimulée. Le niveau le plus énergétique est celui qui est le plus éloigné du noyau de l'atome. un atome est désexcité par émission spontannée et émet un photon (en rose) le photon émis interagit avec un atome excité du milieu c) cet atome se désexcite en émettant un photon identique au photon incident.

Propriétés Voici une petite vidéo présentant clairement le fonctionnement du laser et du système pompage/résonateur optique. Le milieu est caractérisé par des particules possédant au moins un état excité métastable. Quand les photons du faisceau sont assez nombreux, le laser émet…

Types Le lasers a gaz: Comme son nom l’indique ce type de laser se caractérise par un milieu gazeux, excitable soit par stimulation électrique, soit par stimulation optique. Le lasers a solides: Ce type de laser utilise un solide (le plus généralement un cristal) comme milieu actif. Il se presente sous forme d’une tige avec les extrémités parfaitement parallèles. Ce sont les lasers les plus puissants mais leur sensibilité aux hautes températures forcent leur utilisation en mode à impulsion uniquement. Lumière émise par un laser à argon ionique. Tiges de milieu actif pour lasers à solide.

Types Les lasers a semi-conducteurs: Ces lasers sont très différents des lasers vus précédemment. En effet, leur atouts se situent au niveau de leur taille. La couche active d’un tel laser mesure entre 0,1 et 2μm. De part ce fait, ils sont utilisés dans les lecteurs laser ou encore dans les imprimantes. Cependant, les semi conducteurs purs ne sont que très peu intéressants pour l’émission de faisceau. Les SC sont donc souvent dopés pour accroître leur efficacité. D’autre types de lasers, comme les lasers chimiques (qui se dopent par réaction chimique et qui peuvent ensuite émettre un Un laser à semi-conducteurs. Sa monture a 9 mm de diamètre. photon) existent mais beaucoup d’entre eux font encore l’objet de recherches. Notons simplement que les lasers à électrons libres sembles présenter des caractéristiques très intéressantes, notamment la possibilité d’en ajuster la fréquence.

Applications Médecine L'étude des effets de l'interaction du rayonnement laser avec les tissus biologiques a permis d'établir qu'ils dépendent des conditions de l'interaction entre le type de tissu et le rayon émis, c'est-à-dire de la durée d'exposition, de la puissance, de la longueur d'onde, de la nature du tissu, etc. Ce secteur d'application est l'un des plus importants et il est en constant essor. Il est plus que qu’envisageable maintenant que l’essentiel des interventions chirurgicales dans l’avenir se feront entièrement ou au moins avec l’aide de lasers. Il utilise les propriétés de directivité, de mono chromaticité et de cohérence du faisceau laser pour arriver à ses fins. Ce domaine d'application est très complexe, car tous les tissus ne répondent pas de la même façon. Chirurgie oculaire au laser

Applications Mesure On utilise déjà beaucoup les lasers pour effectuer de la télémétrie ou encore des mesures de toutes sortes. La cohérence et la précision des lasers est un atout majeur dans ce domaine, et ils permettent notamment de prouver bon nombre de phénomènes physiques non mesurables autrement que par technologie laser. Pour mesurer les distances, on dirige sur une cible un éclair de lumière laser. La cible renvoie l’éclair, comme écho. On peut ainsi mesurer le temps qu’il a fallu à l’éclair pour faire le trajet aller-retour. C’est grâce a cette technique que nous pouvons aujourd’hui détecter les infimes mouvement de la croûte terrestre annonçant un tremblement de terre… Foreuse à guidage laser.

Applications Recherche Nous avons vu en cours le principe du condensat de Bose Einstein, état de la matière atteint que à des température extrêmement basses. Ces températures n’étaient atteignables que grâce à un complexe procédé qui comporte un piégeage d’électrons entre les faisceaux lasers pour les ralentir (refroidir). Ceci est donc une application à la recherche de la technologie laser.

Applications Soudure et découpage Les lasers peuvent aussi, par concentration forte d’énergie en un point précis d’impact, créer une chaleur suffisante à la découpe ou la soudure de métaux. Très utilisés dans les usines automobiles modernes, il permet des découpes « parfaites » en un temps bien inférieur à celui nécessaire à une découpe mécanique identique. Sa très haute précision lui permet aussi de graver des composants électroniques composés de transistors de seulement 0,13 μm (cette valeur diminuant régulièrement). Soudure au laser Découpe au laser

Conclusion En conclusion nous avons vu que les lasers étaient une forme de lumière particulière, monochromatique, cohérente, et capable de pousser plus loin de nombreux domaines comme la médecine ou encore l’industrie. En pleine expansion, les lasers vont évoluer pour être de plus en plus puissants, précis, petits… et les applications seront d’autant plus passionnantes à étudier.

Sources Encyclopædia Britannica, http://www.britannica.com/ Institut National D'Optique, http://www.ino.ca/fr/realisations/main.asp Laboratoires Bell, http://www.bell-labs.com/history/laser/ Microsoft Encarta Encyclopedia 2003.