1.

Présentation

laser, dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués (voir interférence). Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle et d'une grande pureté spectrale.

Le mot « laser » est l’acronyme de l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (« amplification de la lumière par émission stimulée de radiations »). D'abord cantonnés à la lumière visible, les lasers couvrent aujourd'hui toute la gamme des rayonnements électromagnétiques, des rayons X et ultraviolets aux ondes infrarouges et micrométriques (voir maser).

2.

Principe de fonctionnement

Le principe du laser consiste à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission de photons en cascade sous forme de rayon.

Pour ce faire, le dispositif du laser consiste en un réservoir d'électrons (milieu fertile qui peut être solide, liquide ou gazeux) appelé milieu actif, associé à une source excitante qui élève les électrons à des niveaux d'énergie supérieurs. Cette excitation du milieu actif est appelée « pompage ».

Dans une seconde phase, de la lumière est injectée dans le milieu, provoquant des collisions entre électrons excités et photons. Lors de ces collisions, les électrons excités retournent à leur niveau d’énergie initial en émettant de nouveaux photons. Ce processus d’émission stimulée, d’origine quantique, produit l'amplification de la lumière. Deux miroirs situés aux extrémités du laser se réfléchissent les photons émis, la lumière se densifiant à chaque parcours. L’un des deux miroirs est semi-réfléchissant, ce qui permet à une fraction de la lumière d’être relâchée à chaque aller-retour.

La lumière laser doit sa cohérence au fait que les photons du milieu naissent sur le passage d'autres photons qui sont en phase avec eux dans leur déplacement. De plus, les photons obtenus par émission stimulée ont la même énergie et la même direction que les photons incidents, ce qui explique la pureté et la directivité du faisceau (les photons qui ne se déplacent pas dans l’axe des miroirs vont se perdre dans les parois opaques).

Dans le cas de lasers impulsionnels, il n’y a pas de miroir semi-réfléchissant : le laser est équipé d’un obturateur qui libère le faisceau lorsque l’on commande le tir. Entre deux impulsions, il faut un certain temps pour que le milieu actif soit convenablement pompé.

3.

Historique

Le principe de l'émission stimulée (production sur commande d'un photon par un électron) est décrit par Albert Einstein dès 1917. Toutefois, la première application pratique ne voit le jour qu’à la fin de l’année 1953, dans le domaine des micro-ondes : il s’agit du maser (acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Si le premier maser est l’œuvre d’une équipe de physiciens américains, composée notamment de Charles Townes et Arthur Schawlow, les bases de cette technologie sont également développées parallèlement et indépendamment par une équipe russe constituée par Aleksandr Prokhorov et Nicolaï Bassov, qui réalisent à leur tour un maser au début de l’année 1954. Cependant, la réalisation de masers optique ou infrarouge, c’est-à-dire de lasers, reste un défi pour la communauté scientifique.

En 1958, Townes et Schawlow publient et brevètent leur théorie sur le principe de fonctionnement d’un laser (l'antériorité de l'invention a été contestée par le physicien et ingénieur américain Gordon Gould, qui a obtenu gain de cause en 1977 pour l'une des composantes du système). Finalement, c’est leur compatriote Theodore Maiman qui obtient pour la première fois une émission laser en 1960, en excitant des cristaux de rubis. Un an plus tard, en 1961, le physicien américain d'origine iranienne Ali Javan met au point un laser à gaz (hélium et néon). Puis, en 1966, le physicien américain Peter Sorokin construit le premier laser à liquide. D’autres types de lasers suivront (lasers à semi-conducteurs et à électrons libres), toujours plus perfectionnés et adaptés aux besoins des diverses industries et de la recherche scientifique.

4.

Types de lasers

Les lasers sont classés en cinq grandes familles, selon la nature du milieu excité : lasers à solide, lasers à gaz, lasers à semi-conducteurs, lasers à liquide et lasers à électrons libres.

1.

Lasers à solide

Les lasers à solide utilisent des verres et des cristaux comme milieu d'émission et de propagation des photons (notamment des cristaux de rubis et des verres dopés au néodyme). De tous les lasers, ce sont ceux qui fournissent la plus grande puissance utile. Ils opèrent généralement en mode discontinu, générant des impulsions lumineuses extrêmement brèves (de l’ordre de 10^-15 s), permettant d'étudier les phénomènes physiques de très courte durée.

Dans de tels lasers, le pompage préliminaire du milieu est réalisé par des flashs électroniques au xénon, des lampes à arc ou des lampes à vapeur métallique. Les lasers à solide étendent aujourd'hui leur gamme de fonctionnement aux rayons ultraviolets (multiplication de la fréquence lumineuse dans des cristaux de phosphate de potassium), et même aux rayons X (interaction des photons avec une cible en yttrium).

2.

Lasers à gaz

Dans un laser à gaz, le milieu générateur de photons est un gaz pur, un mélange de gaz ou un métal chauffé à l'état de vapeur, contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le pompage du milieu est obtenu par rayonnement ultraviolet ou bombardement d'électrons. Le laser à hélium et néon, en particulier, est connu pour la pureté de sa fréquence d'émission et l'étroitesse (directivité) du faisceau obtenu. Les lasers à dioxyde de carbone sont également répandus et génèrent de fortes puissances en mode continu.

3.

Lasers à semi-conducteurs

Particulièrement compacts, les lasers à semi-conducteurs utilisent les jonctions électroniques entre semi-conducteurs de conductivités différentes pour générer des photons (l'un des matériaux les plus performants étant l'arséniure de gallium). La production des photons est cantonnée à la jonction électronique par des surfaces réfléchissantes. Le pompage est obtenu par mise sous tension du circuit.

Pour obtenir des puissances élevées, un grand nombre de semi-conducteurs sont montés dans un espace réduit, leur densité pouvant atteindre un million au centimètre carré. Les lasers à semi-conducteurs sont notamment utilisés pour les imprimantes laser et les lecteurs de disques compacts.

4.

Lasers à liquide

Dans les lasers à liquide, le milieu actif consiste généralement en un colorant inorganique, contenu dans un récipient en verre. Le milieu est pompé par flashage (mode discontinu) ou par un laser auxiliaire à gaz (mode continu). Dans un laser à liquide, la fréquence du rayonnement peut être ajustée au moyen d'un prisme placé dans le récipient, ce qui rend l'appareil d'une grande précision spectrale.

5.

Lasers à électrons libres

En 1977 sont apparus les lasers à électrons libres, utilisés principalement en recherche fondamentale. Ils mobilisent les électrons d'un plasma, qui se déplacent suivant des trajectoires en spirale autour des lignes de force d'un champ magnétique (voir rayonnement synchrotron). Contrairement aux lasers à liquide, leur fréquence de rayonnement peut être ajustée, de l'infrarouge aux rayons X. À l'avenir, de tels lasers devraient être capables de générer de très hautes énergies à des coûts raisonnables.

5.

La compression temporelle

Certains lasers impulsionnels émettent des rayonnements composés de la superposition de plusieurs longueurs d’onde différentes. On peut dans ce cas augmenter la puissance du laser à peu de frais. On commence par séparer les différentes longueurs d’onde à la sortie du laser. Se fondant sur le fait que la vitesse de propagation d’un rayonnement électromagnétique dans un milieu dépend de sa longueur d’onde, on interpose alors sur le trajet de chaque rayonnement un jeu d’optique (lentilles, miroirs, etc.). Puis les rayonnements sont à nouveau combinés en un seul avant d’atteindre la cible. Si le jeu d’optique est judicieusement choisi, les divers faisceaux arrivent en même temps sur la cible, et la durée de l’impulsion est ainsi réduite. Le gain en puissance obtenu par cette technique peut atteindre un facteur dix.

6.

Applications du laser

Le laser est un outil précieux dans l'industrie, la géodésie, la recherche scientifique, la physique des ultrabasses températures, les télécommunications, la médecine, la technologie militaire et les arts.

1.

Industrie

Les rayons laser permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface. Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière. On les emploie ainsi dans l'industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant, polir les composants microélectroniques, traiter à chaud les puces à semi-conducteurs, ou encore élaborer de nouvelles matières synthétiques.

Il est envisagé, dans certains projets de centrales à fusion nucléaire, d'utiliser des lasers pour confiner le milieu réactif à des densités critiques. Cette technique va être utilisée en France dans le cadre du projet « laser mégajoule ». Un laser à haute puissance (laser à dioxyde de carbone) servira à déclencher des réactions de fusion nucléaires dans une enceinte confinée. Ceci permettra de mettre fin aux essais d’armes nucléaires, et d’acquérir le savoir-faire nécessaire à la conception de centrales nucléaires à fusion.

Dans la construction et les travaux publics, les rayons laser servent à vérifier l'alignement des structures. De même, ils sont largement utilisés dans les laboratoires industriels de contrôle de qualité et sur les chaînes d’emballage pour détecter les éventuels défauts de fabrication des produits. Ils se révèlent également d'excellents détecteurs de molécules gazeuses et sont utilisés pour l'étude de l'atmosphère et de ses polluants.

2.

Géodésie

La faible dispersion spatiale des rayons laser et leur grande précision temporelle permettent de les utiliser pour mesurer des distances, à la manière des ondes radar : les rayons sont envoyés sur des miroirs positionnés sur les sites à cadastrer, par exemple le long d'une faille ou sur les rives opposées d'un océan en expansion. Le temps du trajet aller-retour du rayon laser permet de mesurer les distances au centimètre près.

Les satellites utilisent également des altimètres laser pour déterminer l'altitude du relief survolé ou la hauteur des vagues sur la mer. Des miroirs laser ont même été déposés sur la Lune par certains astronautes, et ont renvoyé des rayons laser émis depuis la Terre, permettant de mesurer la distance Terre-Lune avec une précision inégalée : de telles mesures ont mis en évidence la lente dérive de la Lune qui s'écarte de notre planète au rythme de quelques millimètres par an.

Réciproquement, la vitesse de la lumière laser peut être exactement calibrée entre deux points dont l'écartement est connu : ces mesures ont permis de vérifier entre autres la théorie de la relativité.

3.

Recherche scientifique

Dans les accélérateurs de particules, des commutateurs très rapides activés au laser sont en cours de développement. On projette également d'utiliser des rayons laser dans les chambres à vide pour stabiliser les atomes étudiés, et analyser rigoureusement leur spectre (voir analyse chimique). Le caractère monochromatique et hautement directionnel des rayons laser permet en effet de sonder la structure moléculaire de la matière, par la mesure des infimes décalages spectraux des rayons laser réfléchis à son contact. La présence d'impuretés dans certaines matières peut ainsi être détectée.

D'autre part, le bombardement de molécules par des rayons laser monochromatiques permet d'y déclencher des réactions chimiques strictement contrôlées (voir photochimie).

4.

Physique des ultrabasses températures

Des faisceaux laser sont utilisés en physique des ultrabasses températures pour refroidir des atomes à des températures avoisinant le zéro absolu. Cette technique de refroidissement laser repose sur l’échange de quantités de mouvement entre les photons de la lumière laser et les atomes. L’absorption (ou l’émission) d’un photon par un atome se traduit par le phénomène de recul de celui-ci, phénomène décrit dès 1917 par Einstein. Ainsi, en plaçant les atomes à l’intersection de six faisceaux laser de même fréquence, couvrant toutes les directions de l’espace, il est possible de les ralentir considérablement, donc de les refroidir à des températures de l’ordre de 10 à 20.10^-6 K. Ces atomes dits froids peuvent encore être refroidis en atomes ultrafroids en combinant le refroidissement laser avec un piège magnétique, ce qui permet d’atteindre des températures d’atomes de avoisinant 10 à 20.10^-9 K.

Cette technique est à l’origine de la réalisation de la condensation de Bose-Einstein, un état particulier de la matière où tous les atomes se trouvent dans le même état quantique. Ce phénomène, comparable à celui de la lumière laser composée de photons identiques, a permis l’avènement d’une nouvelle génération de lasers : les « lasers à atomes ». Le premier laser atomique a été réalisé en 1997 par l’équipe de Wolfgang Ketterle (colauréat du prix Nobel de physique 2001) au sein de l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT), à partir d’un condensat de sodium. Dès lors, d’autres équipes à travers le monde sont parvenues à obtenir des sources cohérentes d’ondes atomiques à partir de divers condensats d’atomes alcalins. Toutefois, l’utilisation des lasers atomiques reste pour l’instant cantonnée au champ de la physique fondamentale, en raison des trop faibles intensités et durées de leurs flux atomiques.

5.

Télécommunications

Comme toute onde, le rayonnement laser peut être modulé en signal et servir aux télécommunications. Le rayonnement laser se distingue en effet par une dispersion extrêmement réduite : il parcourt de longues distances dans le vide sans modification substantielle de l'intensité du signal. D'autre part, en raison de sa fréquence élevée, le rayonnement laser est capable de véhiculer 1 000 fois plus de canaux de télévision que les ondes micrométriques et est préconisé pour les futures générations de satellites de télécommunications.

Au sol, les fibres optiques véhiculent également des signaux laser porteurs d'une riche densité d'informations (chaînes de radio et de télévision, données informatiques) sur des réseaux en pleine expansion.

6.

Médecine

En raison de leur précision directionnelle, les rayons laser servent à couper et à cautériser les tissus organiques, sans endommager les tissus sains environnants (voir chirurgie laser). Ils sont utilisés notamment dans les opérations de décollement de la rétine, pour ressouder les tissus, ainsi que pour cautériser les vaisseaux sanguins et vaporiser les lésions. Le laser est également utilisé en laboratoire dans les analyses d'échantillons biochimiques.

7.

Technologie militaire

Des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et les satellites. Des canons laser de très haute énergie ont également été proposés comme nouvelle classe d'armement antimissile par le président américain Ronald Reagan en 1983 dans son programme IDS (voir Initiative de défense stratégique) ; plusieurs tests ont été conduits. D'autre part, la capacité que possèdent les lasers à liquide d'effectuer une excitation sélective des atomes pourrait ouvrir la voie à de nouveaux systèmes de séparation des isotopes, trouvant des applications notamment dans la fabrication des bombes nucléaires.

8.

Arts

Grâce à ses impulsions lumineuses puissantes autant que brèves, le laser se prête remarquablement à la photographie : on peut obtenir de très courts temps de pose par ce procédé, permettant la photographie de phénomènes extrêmement brefs. En holographie, ce sont également aux rayons laser que sont prises les photographies dont sont tirées par interférence des images tridimensionnelles.

Enfin, le succès du laser est aussi dû à ses applications spectaculaires dans les arts scéniques : ballets et arabesques de pinceaux lumineux dans le ciel, éclairages de concerts et spectacles son et lumière ont propulsé la technique laser aux avant-postes de l'art contemporain. Notons également que l'on utilise parfois les rayons laser pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.

7.

Sécurité

Dans les applications scientifiques et industrielles comme dans les arts, l'emploi du laser nécessite de respecter un certain nombre de règles de sécurité. Les tensions et intensités lumineuses des lasers sont généralement très élevées : la densité d’énergie lumineuse de certains faisceaux laser est un million de fois supérieure à celle de la lumière du Soleil au niveau du sol. Comme l'œil focalise sur la rétine la lumière laser de la même façon que toute autre lumière, le danger principal est l'endommagement de celle-ci. Il est donc recommandé aux opérateurs de ne pas exposer leurs yeux aux rayons laser, qu'ils soient directs ou réfléchis, et de porter des lunettes protectrices. Le danger est particulièrement présent dans le cas de lasers émettant de l’ultraviolet ou des rayons X, ces rayonnements étant à la fois invisibles et très énergétiques.