Toute la lumière sur les lasers !

D’après la conférence donnée par Tristan Briant (enseignant-chercheur à l’UPMC – Laboratoire Kastler-Brossel) lors de la première édition de Conf’&Sciences organisée par Indésciences le 28 novembre 2914 à Paris.

Avant même d’expliquer ce qu’est un laser il est intéressant de définir ce qui n’en est pas un ! J’évoque bien sûr ici les  fameux “sabres-lasers” de l’univers Star Wars. Il existe quelques explications très simples au fait que ces sabres n’ont de lasers que le nom. D’une part, il est impossible de faire interagir deux faisceaux de lumière laser entre eux car la lumière est immatérielle et n’oppose aucune résistance quand deux faisceaux se croisent. D’autre part, la lumière laser est en réalité invisible. Le laser se propage en interagissant peu ou pas avec l’air et la seule façon de visualiser le trajet optique du faisceau laser est d’apporter par exemple de la fumée ou bien de la poudre de craie sur ce trajet optique. Le faisceau laser se propage de manière rectiligne et infinie tant qu’il ne rencontre pas d’obstacle ; ainsi  la seule chose visible d’un laser est le spot qui apparaît quand le faisceau rencontre un obstacle.

Qu’est-ce que la lumière laser ?

Commençons par définir la lumière blanche. Il s’agit d’une onde électromagnétique qui se propage dans l’air ou dans le vide à une vitesse constante (environ 3×108 m/s) ; elle  est caractérisée par une fréquence et une longueur d’onde particulières. Le spectre de la lumière blanche comprend les ondes de longueurs d’onde comprises entre 400 et 800 nm. La lumière est composée de corpuscules, les photons qui se propagent dans n’importe quelle direction.

Contrairement à la lumière blanche, le laser est une lumière monochromatique, unidirectionnelle et cohérente. Les photons composant le laser sont identiques et se propagent tous dans la même direction et avec la même fréquence et la même direction : c’est ce qu’on appelle la cohérence.

Comment fonctionne un laser ?

Le LASER ou « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » est basé sur l’émission stimulée et l’amplification de lumière.

Les atomes possèdent plusieurs niveaux d’énergie qui les rendent capables d’absorber ou d’émettre de l’énergie provenant par exemple de photons lumineux. Quand un photon est envoyé sur un atome, ce dernier passe de son état fondamental à un état excité sur un niveau d’énergie supérieur en prélevant l’énergie du photon. Ce phénomène d’absorption est dit “résonnant” : la fréquence du photon doit correspondre à la fréquence atomique. L’émission stimulée consiste à envoyer un deuxième photon sur cet atome excité pour faciliter la transition vers le niveau d’énergie fondamentale. Cette transition s’accompagne alors de l’émission de deux photons en tout point identique au photon incident : même fréquence, même énergie et même longueur d’onde.

Pour que l’émission stimulée se produise, il faut que l’électron se trouve dans l’état excité au moment où le photon incident arrive. Pour des atomes au repos, les électrons sont en majorité à l’état fondamental, il est donc nécessaire de réaliser une inversion de population : amener suffisamment d’électrons dans l’état excité voulu. Cela est possible grâce à différentes méthodes et notamment le pompage optique qui est à la base du fonctionnement du premier LASER. Cette technique consiste en une décharge de photons, un flash par exemple, qui va faire passer les électrons sur des états excités par absorption. Avec cette inversion de population, on obtient alors un milieu amplificateur : l’injection de lumière sur ces atomes excités va entraîner la formation de photons supplémentaires et l’onde en sortie est donc amplifiée.

On peut comparer ce processus à l’effet “Larsen”, qui se produit lorsqu’un amplificateur voit sa sortie (par exemple un haut-parleur) « branchée » sur l’entrée (le micro). Le moindre bruit capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, ré-amplifié jusqu’à atteindre l’énergie maximale du système. On crée alors une boucle de son unidirectionnelle. Dans le cas du laser, on part d’un amplificateur de lumière et on ré-injecte une partie du rayonnement lumineux grâce à des miroirs semi-réfléchissant.

Pour en savoir plus concernant le “pompage optique” : allez voir notre article “Le temps au prisme de la lumière”.

Figure 1 – Principe du pompage optique. En haut, une assemblée de six atomes est répartie aléatoirement sur les états d’énergie E1 et E2. En bas, après avoir éclairé les atomes avec des photons d’énergie E3−E2, on a accumulé tous les atomes dans l’état d’énergie E1 : le désordre initial a été supprimé.

Quelques applications des lasers

Depuis leur invention, il y a une cinquantaine d’années, les lasers ont trouvé une grande variété d’applications.

Une première application est la télémétrie, autorisant la mesure de  la distance Terre-Lune ou de la vitesse des voitures grâce aux radars mobiles. Cette technique s’appuie sur la mesure de la durée de l’aller-retour d’une impulsion laser. Dans le cas de la télémétrie Terre-Lune, cette impulsion est émise du sol terrestre vers un réflecteur lunaire. Ces réflecteurs ont été déposés par différentes missions spatiales et sont constitués de miroirs réfléchissants. En connaissant la vitesse de la lumière et la durée de l’aller-retour on peut ainsi connaître très précisément la distance Terre-Lune. Dans le cas des jumelles lasers, on utilise un laser emettant dans l’infra-rouge qui va se réfléchir sur la plaque d’immatriculation du véhicule : on parvient à en déduire la distance entre le radar et le véhicule. En répétant plusieurs fois cette mesure on peut alors définir  la vitesse du véhicule.

Le laser peut également servir à la lecture d’information sur les CD, DVD ou Blu-ray. On utilise un faisceau provenant d’une diode laser qui traverse un miroir semi-réfléchissant et va frapper la surface du disque sur laquelle il se réfléchit. L’onde réfléchie atteint ensuite un capteur de lumière qui convertit l’onde en information binaire. C’est la taille du faisceau laser qui va déterminer la capacité de stockage d’information sur le disque : c’est donc en réduisant la longueur d’onde et en augmentant l’ouverture numérique du bloc optique qu’on peut augmenter la capacité de stockage du support (la longueur d’onde du laser pour un CD est de 780 nm, celle d’un DVD de 658 nm et celle d’un Blu-ray est de 405 nm).

On utilise les lasers également pour transporter l’information par la fibre optique. Une fibre est un long câble de verre dans lequel on injecte un rayon lumineux qui va subir de multiples réflexions internes. Le rayon se propage alors d’un bout à l’autre de la fibre sans perte, de façon presque rectiligne. En modulant le faisceau lumineux on peut coder l’information binaire (fréquence d’impulsion du laser) et le flux de données envoyées (intensité de l’onde lumineuse).

Le laser a de nombreuses  applications médicales, comme par exemple la correction de la myopie. Des  lasers ultra-violets et des lasers à impulsions de l’ordre de la femtoseconde sont alors utilisés. Grâce au laser femto-seconde il est possible de découper très précisément et très finement dans l’épaisseur de la cornée afin de permettre un remodelage en profondeur de la courbure cornéenne.