Schéma montrant le fonctionnement primaire d'un LASER
Le mot LASER est un acronyme qui vient de l'anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », qui signifie « amplification de lumière par émission stimulée ». L'idée de la création d'un LASER a été émise par Albert Einstein dès 1917. Dans ces recherches, il parle d'une hypothèse concernant la création de lumière à l'aide d'un atome par émission stimulée. Le LASER est le descendant du MASER. Le MASER: acronyme de « Microwave or Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiations ». Townes, Bassov, et Prokhorov ont eu le prix Nobel de physique concernant l'étude au niveau de l'électronique quantique pour l'oscillateur et amplificateur au niveau du Maser-LASER. Le premier LASER a vu le jour en mai 1960, dans un laboratoire à Malibu en Californie. Il s'agissait d'un LASER à rubis, fonctionnant en impulsions dans le rouge. Son inventeur, Theodore Maiman, créait ainsi le premier « maser optique ». Puis une année plus tard, Ali Javan met au point un LASER où le milieu amplificateur est un gaz (Hélium-Néon).
Schéma montrant le fonctionnement primaire d'un LASER
Le fonctionnement d'un LASER se fait grâce à trois parties: Un milieu amplificateur (qui peut aussi être appelé un mécanisme de pompage), un résonateur optique (composé de 2 miroirs représentés ci-dessus) et une source d'énergie (le plus souvent électrique). Ces trois parties forment l'oscillateur LASER.
Dans le milieu amplificateur, on trouve des atomes sous différents niveaux d'énergie. On peut augmenter la puissance lumineuse jusqu'à atteindre une propagation optimale de la lumière, c'est le phénomène d'émission stimulée. Le milieu amplificateur est régit par le système de pompage. Ce système permet d'avoir une amplification optimale, il met à profit le changement de niveau d'énergie des différents atomes. Le principe de ce mécanisme est de faire traverser les protons entre les deux miroirs jusqu'à atteindre la longueur d'onde désirée. C'est un français « Alfred Kastler » qui reçu le prix Nobel de physique pour ses travaux sur le pompage optique !
Le résonateur optique est l'ensemble des deux miroirs situés aux extrémités de l'oscillateur. L'un des miroirs est réfléchissant, le second est semi réfléchissant permettant la sortie du faisceau LASER. Le but du résonateur optique est d'avoir suffisamment de photons dans le milieu amplificateur pour avoir un faisceau LASER avec la longueur d'onde voulue.
La source d'énergie est le plus souvent un courant électrique. Elle actionne le système de pompage. C'est grâce à elle que le LASER fonctionne dans de bonnes conditions. Si il n'y a pas de sources d'énergie, les atomes ne peuvent pas changer de niveau d'énergie et ils ne peuvent pas créer de lumière.
- Le 16 mai 1960, Maiman réalise le premier effet LASER jamais obtenu dans le domaine optique. Le milieu amplificateur utilisé était un cristal de rubis, cristal le plus utilisé au début des LASER car il était très utilisé dans le domaine des MASERS et donc parfaitement connu sur le plan de la spectroscopie. La longueur d'onde optique obtenue était de 694,3 nm et ce LASER fonctionnait en impulsions.
- 1954 : Le premier MASER est mis au point, on se situe dans les micro-ondes et non dans le domaine optique.
- 1961 : Javan, Bennet et Herriot réalisent un LASER à gaz hélium-néon fonctionnant en continu à 1,15 µm. Le LASER hélium-néon peut en effet émettre sur toute une gamme de longueur d'ondes discrètes allant du vert à l'infrarouge en passant par l'orange et le rouge (633 nm).
- 1962 : Premier LASER Hélium Néon rouge (633 nm)
- 1965 : LASER à semi-conducteurs.
- 1966 : LASER à colorants pulsés (rouge, orange, jaune).
- 1970 : LASER à colorants continus (rouge, orange, jaune).
Aujourd'hui les scientifiques travaillent sur des LASER qui fonctionnent avec plusieurs solides comme par exemple les LASER à fibres optique ou diode LASER ou à diodes LASER. Ce qui permettrait d'obtenir des LASER à impulsion de plus en plus courtes pour aller vers des LASER de plus en plus puissant.
Nous avons constaté précédemment que le fonctionnement d'un LASER est basé sur trois parties :
- Un milieu amplificateur
- Un résonateur optique
- Une source d'énergie
Un LASER fonctionne grâce aux trois éléments ci-dessus. S'il y a un seul élement qui ne peut plus fonctionner, le LASER ne produira plus de lumière. Puisque les trois fonctionnent en symbiose.
La lumière émise par un LASER a plusieurs caractéristiques qui la différencie de la lumière blanche émise par nos ampoules. La lumière LASER est unidirectionnelle, l'onde lumineuse se déplace en ligne droite.
Elle est monochromatique c'est-à-dire qu'elle est d'une seule couleur qui correspond à sa longueur d'onde λ.
Il existe trois phénomènes d'émission de lumière par un LASER. On commencera par expliquer les deux premiers principes connus et ensuite celui dicté par Einstein en 1917.
Schéma illustrant les trois phénomènes d'émission de lumière LASER
hνnn' = (En' - En) Ce qui correspond à une fréquence de BOHR atomique. Chaque atome passe d'un niveau « n » à un autre niveau en absorbant un photon. Sachant que « n » est le niveau d'énergie le plus bas et que « n' » est le niveau d'énergie au dessus. Cette fréquence doit être la plus proche possible de la différence de niveau pour avoir une fréquence de BOHR atomique. Dans ce cas il pourra ensuite avoir le phénomène d'émission spontanée. Il n'y a pas production de lumière: le photon est absorbé.
C'est l'inverse de l'absorption. Un photon qui est placé à un niveau « n' » passe soudainement à un niveau inférieur « n ». L'atome qui a été excité donne un photon et il produit de la lumière. On obtient une fréquence (hν) qui est le rapport entre la différence de niveau (ΔE). ν = Δ E/h
Cette hypothèse est émise par Einstein en 1917. C'est l'inverse du processus d'émission absorption. Les LASER actuels sont basés sur ce type d'émission. Le problème est qu'il faut que l'atome passe d'un niveau « n' » tel que « n'>n ». Il faut qu'après l'absorption, il y est un système qui va permettre l'émission de lumière. C'est ce qu'on appelle l'inversement de population. Cette inversement est possible grâce au pompage optique. Le pompage permet aux atomes de « monter » d'un niveau « n » à celui de « n ' » et inversement. Le plus souvent le pompage est réalisé grâce à la source d'énergie qui donne l'énergie nécessaire au fonctionnement du pompage.
La loi du déplacement de WIEN montre que l'on a création de chaleur par LASER. Cette expression littérale se traduit par : λmax = σw/T
T est la température exprimée en K (Kelvin)
σw est la constante de WIEN égale à 2.898 e-3 m.K-1
Cette loi montre que l'on peut réchauffer un corps grâce à un LASER. Puisque la longueur d'onde est inversement proportionnelle à la température. Plus la longueur d'onde du LASER est petite, plus le corps sera chauffé !
Les différents LASER sont caractérisés par leur milieu amplificateur. S'il y a une modification du milieu amplificateur, cela peut impliquer un changement de la source d'énergie. L'électricité n'est pas la seule source d'énergie! Nous allons expliquer tous les types de LASER que l'on trouve aujourd'hui dans les laboratoires.
Ces LASER utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu amplificateur. Le cristal ou le verre doit être dopé par un ion qui est le milieu LASER. Le LASER à rubis dont l'émission provient de l'ion Cr3+ est le plus ancien des LASER. La longueur d'onde d'émission du LASER dépend essentiellement de l'ion dopant, mais le milieu amplificateur 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 avec des impulsions (de quelques microsecondes à quelques millionièmes de milliardième de seconde ou femtosecondes). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible que dans l'ultraviolet. Aujourd'hui, le milieu amplificateur le plus utilisé pour générer des impulsions femtosecondes est le saphir dopé titane. Il possède deux bandes d'absorption centrées à 488 et 560 nm. Il possède un large spectre d'émission centré à 800 nm. Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable, ces LASER 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.
Dans les LASER à liquide, le milieu d'émission est une solution liquide enfermé dans du verre (le plus souvent c'est une fiole). Le rayonnement émis peut être soit continu soit discontinu suivant le moyen utilisé poue le pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme, ce qui permet de le rendre très précis! Le choix du colorant détermine la gamme de couleur du rayon qu'il sera émis. La longueur d'onde peut être contrôlée à l'aide de filtres optiques.
Le milieu amplificateur est un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très peu étendue. Les exemples les plus connus sont les LASER à hélium-néon (rouge à 632,8 nm), utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les LASER pour spectacles. Les LASER à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en continu) de l'ordre de 106 W. Le LASER CO2 (infrarouge à 10,6 µm) peut être, par exemple, utilisé pour la gravure ou la découpe de matériaux. Il existe aussi une sous-famille des LASER à gaz : Les LASER « Excimer » qui émettent dans l'ultra-violet. Dans la majorité des cas, ils sont composés d'au moins un gaz halogène et aussi parfois d'un gaz rare. Le terme « Excimer » vient de l'anglais "excited dimer" qui signifie une "molécule excitée composée de deux atomes identiques". Il est utilisé par exemple dans les opérations de la myopie.
Dans une diode LASER (ou LASER à semi-conducteur), 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. C'est ce type de LASER qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaires) des LASER utilisés dans l'industrie. Il comporte de nombreux avantages: 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 %).Il y a peu de perte d'énergie en chaleur. Ces LASER sont peu coûteux, très compacts (la zone active est micrométrique et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On fabrique facilement des LASER pour obtenir de la lumière sur presque tout le domaine visible. Les LASER délivrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilisés et les moins coûteux. Il faut tout de même spécifier que la réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres. Quelques soucis, la lumière émise est en général moins directionnelle et moins « pure » spectralement que les autres types de LASER (à gaz en particulier). Mais qui ne pose aucun problème dans la majorité des applications. Ces diodes LASER sont utilisés notamment dans la lecture des CD.
Crée par Vincent CLEMENT, Romain QUINAUD et Clément LECROART dans le cadre des TPE!