Chapitres
Le Laser
Généralités
Caractéristiques
Le laser est un oscillateur optique qui peut être décrit en terme de système bouclé auto-oscillant.
- Signal : Champ électrique d'une onde électromagnétique
- Bouclage : par réflexions optiques (cavité)
- Amplification :
- Rappel :
- émission spontanée d'une onde électromagnétique par un atome lors du passage pour un électron d'un niveau d'énergie à un niveau plus faible.
- absorption d'une onde électromagnétique par un atome lors du passage pour un électron d'un niveau d'énergie à un niveau plus élevé.
- Lien entre rayonnement (onde émise ou reçue) et transition énergétique : ΔE = hν.
- Emission stimulée :
- Proportionnalité du processus avec le nombre d'électrons sur un niveau.
- Etat naturel : remplissage des couches d'énergie les plus faibles, donc l'absoption l'emporte sur l'émission -> le milieu est absorbant.
- Etat stimulé par inversion de population (pompage optique) : l'émission l'emporte sur l'absorption -> le milieu est amplificateur.
- Rappel :
- Pertes : onde faiblement transmise par un miroir pour laisser le faisceau sortir de la cavité, légère absorption par les miroirs.
- Condition d'oscillation : Gain X Perte = 1
- condition imposée par le milieu -> spectre autour de la fréquence ν telle que ΔE = hν, largeur donné par la durée de la transition donc la longueur du paquet d'onde.
- condition imposée par la cavité -> modes propres (onde stationnaire) imposés par la longueur de la cavité
- Amorçage : la moindre émission de photon et Gain X Perte ≥ 1
- Stabilisation par non linéarité.
L'effet laser
Interaction lumière-matière
Afin d’obtenir des équations détaillées de l’effet Laser et de la cavité Laser, il faut définir les deux degrés de quantification existant dans l’interaction lumière-matière afin de mieux comprendre la physique de l’effet laser :
- Le modèle semi-classique qui repose sur la quantification des atomes et un champ électromagnétique classique pour la lumière
- Le modèle complètement quantique qui repose sur la quantification des atomes mais aussi de la lumière.
Interaction semi-classique
Ce modèle permet ainsi de comprendre l’origine de l’effet Laser mais aussi l’obtention d’équations de taux qui régissent les populations d’atomes au sein de la cavité Laser.
Interaction atome quantifié et champ classique
Dans ce modèle, puisque les atomes sont quantifiés, il est nécessaire d’utiliser le formalisme de la mécanique hamiltonienne. Ainsi, dans l’approximation d’un système à deux niveaux d’énergie pour les atomes, l’effet du champ électrique extérieur consiste en des oscillations dites de Rabi des atomes entre ces deux niveaux. Ce modèle ne permet donc pas d’obtenir l’inversion de population qui est nécessaire à l’effet Laser. En effet, ces oscillations sinusoïdales montrent que le système ne peut choisir entre l’émission stimulée et l’absorption. Il est alors nécessaire d’introduire de manière ad hoc l’émission spontanée pour expliquer l’effet laser dans un modèle semi-classique car l’émission spontanée ne peut pas être expliquée sans une deuxième quantification. 
Les différents type de laser existant
Il existe six familles de laser différentes, classifiées selon la nature du milieu excité. Les lasers peuvent émettre un lumière continue ou impulsionnelle tel que les lasers femtoseconde (fréquence d'impulsion de 10-12 secondes). La fréquence des impulsions est tellement élevée qu'ils paraissent continues à l’œil.
Le laser gaz
Le milieu laser de ce type de source correspond alors à un gaz atomique ou moléculaire qui sera placé dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau obtenu est donc très resserré et présente des fréquences d'émissions peu étendues.
- Le laser hélium-néon (rouge 632.8 nm) correspond au laser qui est très utilisé dans le bâtiment-travaux-publics afin de contrôler les alignements et mesures, ainsi que dans les lasers de spectacle.
- Le laser CO2 est capable de libérer beaucoup d'énergie (en utilisation impulsionnelle) et est très utilisé pour le marquage, la gravure et la découpe de matériaux.
Le laser cristallin
Le laser cristallin, contrairement aux lasers à gaz, possèdent un milieu laser est solide, tels que des cristaux ou du verre. Afin de rendre cela possible, Il est nécessaire de doper, c'est à dire apporter une impureté, dans le milieu laser à l'aide d'un ion. Logiquement, la longueur d'onde du laser dépendra surtout de l'ion, même si le milieu solide a lui aussi un peu d'influence. Les principales utilisations de ce types de laser, puisqu'ils sont énergétiques, sont la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.
Le laser à fibre
Ce type de milieu laser de ce type de source est très similaire à celui d'un laser cristallin. En effet, on y retrouve une fibre optique est dopée à l'aide des ions de terres rares. De la même manière que les lasers solides, la longueur d'onde dépend de l'ion. Ce milieu laser est relativement récent et est avantageusement moins coûteux, prend peu de place et selon l'énergie produite ne nécessite pas obligatoirement de refroidissement.
Le laser à colorants moléculaires
Dans ce type de laser, il est possible de trouver colorant moléculaire en solution liquide prisonnier au sein d'une fiole en verre. La longueur d'onde d'un tel laser peut être affinée à l'aide d'un prisme ce qui permet une grande précision du laser. C'est le choix du colorant qui détermine principalement la couleur du laser.
La diode laser
Ce type de laser correspond à ceux que l'on retrouve de façon majoritaire dans l'industrie et son mécanisme de fonctionnement est basé sur la technologie des semi-conducteurs. Le principal avantage de ce type de laser est qu'il ne nécessite pas de milieu laser volumineux, les appareils utilisant cette technologie peuvent donc être extrêmement compacts. C'est par exemple la technologie utilisée pour les pointeurs laser. Il sont également peu coûteux. La lumière rouge est la plus courante même si de nombreuses longueurs d'ondes peuvent être produites avec cette méthode. La diode laser est également très utilisée dans les télécommunications et lecture optique. Elle a cependant une précision moindre que la plupart des autres types de laser, mais reste très adaptées pour de nombreuses applications.
Le laser à électron libre
Ce ne sont pas des lasers classiques. En effet, ce type de laser, au lieu d'utiliser le rayonnement issu de la désexcitation d'atome, fait appel au rayonnement produit par l'accélération d'électrons. Ce type de laser ne peut exister qu'au contact d'un accélérateur de particules, tel que SOLEIL à Saclay en région parisienne ou au CERN non loin de Genève.
Les caractéristiques de la lumière laser
Le laser est une source lumineuse possédant des propriétés particulières :
- La lumière laser correspond à une lumière monochromatique. En effet, celle-ci est constituée de rayonnements ayant tous la même longueur d'onde. On peut donc dire que la couleur du faisceau lumineux dépend du milieu laser utilisé et des caractéristiques du pompage optique.
- La lumière laser correspond à une lumière directive. En effet, le faisceau obtenu possède un angle d'ouverture très faible, on le considère donc rectiligne, et se propage dans un seule direction.
- La lumière laser correspond à une lumière cohérente. En effet, le faisceau est constitué de photons dont les caractéristiques sont les mêmes. De ce fait, les ondes lumineuses qui leurs sont associées sont en phases.
- La lumière laser peut propager une importante puissance.
Ces caractéristiques opposent la lumière laser à celles des sources lumineuses classiques puisque celles-ci reposent sur des émissions spontanées qui se font dans toutes les directions, à des phases différentes et avec une puissance nettement inférieure.
| Objectifs | Loisirs | Transfert d'information | Sciences de matériaux | Médical | Militaire |
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Les dangers du laser
Selon le laser qui est utilisé, il peut être nécessaire d'adopter des équipements de protection individuelles. En effet, une source laser peut émettre un faisceau lumineux extrêmement énergétique pouvant de ce fait provoquer des brûlures de la rétine voire de la peau selon la situation.
La rétine correspond au tissu nerveux sensible à la lumière sur lequel convergent les rayons lumineux. La rétine est formée de plusieurs couches de cellules nerveuses qui sont sensibles à la lumière et transmettent les informations au cerveau par les fibres nerveuses qui cheminent par le nerf optique et les voies optiques. Elle est collée à l’intérieur de l’œil contre la paroi sclérale, au contact de l’épithélium pigmentaire et la choroïde, nécessaires à la survie des cellules rétiniennes.
Ainsi, il existe une classification des lasers en fonction de leur dangerosité. Les mesures de sécurités doivent être adaptées au type de laser utilisé.
- Classe 1 : sans danger (imprimantes, lecteur CD/DVD)
- Classe 1 M : l'observation directe du faisceau à travers un instrument optique peut s'avérer dangereuse.
- Classe 1 C : lasers en contact avec la cible, tel que la peau humaine (épilation).
- Classe 2 : lasers émettant un rayonnement visible. L’œil est naturellement protégé en fermant la paupière (lecteur de codes barres).
- Classe 2 M : lasers émettant dans le visible comportant les mêmes risques que ceux de la classe 1M.
- Classe 3 R : l'exposition peut-être dangereuse pour les yeux dans les conditions les plus défavorables.
- Classe 3 B : laser toujours dangereux en cas de contact visuel direct du faisceau.
- Classe 4 : nécessite de grandes précautions d'utilisation. Des rayonnements de réflexions diffuses peuvent également être dangereux. Il peut causer des dommages sur la peau et des risques d'incendie existe.
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