Le fonctionnement du laser et ses applications

Nous avons tous déjà manipulé un pointeur laser, et pourtant, les concepts scientifiques qui se cachent derrière cet objet sont un peu plus complexes qu’il n’y paraît. Cet article se penche sur le fonctionnement du laser et quelques unes de ses nombreuses applications.

Laser ?

Commençons par son nom. Le mot LASER est en fait un acronyme qui signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. En français, cela veut dire « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ».

Si le principe de fonctionnement du laser est décrit par son nom, encore faut-il savoir l’interpréter.

Qu’est-ce-que l’émission stimulée ?


Les niveaux d’énergie

Pour comprendre ce phénomène, il faut considérer la matière à l’échelle de l’atome. Toute la matière présente dans l’Univers (des plus grandes étoiles aux plus petits insectes, du stylo-bille au bateau) se compose d’atomes. On peut schématiser l’atome par un noyau, autour duquel gravitent des électrons, tels des satellites autour d’une planète (Figure 1).

Le fonctionnement du laser et ses applications

Figure 1 : Représentation planétaire de l’atome [1].

L’atome, du simple fait de son existence, possède de l’énergie. L’état dans lequel l’énergie qu’il possède est minimale, s’appelle l’état fondamental. Un atome ne peut pas posséder moins d’énergie que lorsqu’il est dans son état fondamental.

Absorption d'un photon

Un atome peut aussi recevoir de l’énergie, via l’absorption d’un photon [2]. Le photon est l’entité qui transporte l’énergie électromagnétique, dont le spectre est représenté ci-dessous.

Le fonctionnement du laser et ses applications 1

Figure 2 : Spectre électromagnétique [3].

Un photon se caractérise par :

  • une longueur d’onde
  • une fréquence
  • ou encore une énergie

Ces trois notions sont équivalentes. Par exemple, si la longueur d’onde d’un photon est comprise en 380 et 780 nm (1 nanomètre est un milliardième de mètre), alors ce photon appartient au domaine du visible : c’est la lumière.

Un atome peut absorber un (ou plusieurs) photon(s). C’est-à-dire qu'il absorbe de l’énergie, et passe de son état fondamental à un état excité. On parle alors d’absorption.

Émissions

Un atome excité peut se désexciter en émettant un photon pour passer naturellement d’un état excité à son état fondamental, on parle alors d’émission spontanée.

Le fonctionnement du laser et ses applications 2

Figure 3 : Schéma du phénomène d’absorption. 1 et 2 correspondent à deux niveaux d’énergie [4].

Il existe un troisième phénomène, l’émission stimulée [4][5], introduit par Einstein en 1917. Un atome se trouvant dans un état excité reçoit l’énergie d’un photon incident, ce qui le pousse à se désexciter en émettant un photon, comme lors d’un processus d’émission spontanée.

Le photon émis lors de la désexcitation est la copie du photon incident.

Il apparaît donc que le processus d’émission stimulée permet de « dupliquer » un photon. Ainsi, pour un photon incident, on obtient deux photons identiques à la fin du phénomène d’émission stimulée. Le nombre de photons est bien amplifié.

Le fonctionnement du laser et ses applications 3

Figure 4 : Désexcitation d’un atome par émission stimulée.

De quoi est composé un laser ?

Un laser s’apparente finalement à une « machine » à émission stimulée. Cependant, on a vu plus haut que l’émission stimulée nécessite des atomes dans des états excités. Si l’on considère une population d’atomes donnée, alors il y aura plus d’atomes non excités qu’excités. Il faut donc réaliser ce qu’on appelle une inversion de population.

La source d’énergie (Figure 5) permet d’exciter les atomes du milieu. Ce milieu peut être gazeux, solide ou liquide, selon le type de laser que l’on veut obtenir.

Le fonctionnement du laser et ses applications 4

Figure 5 : Composition d’un laser [5].

Un atome va alors se désexciter spontanément en émettant un photon. Ce photon va alors provoquer l’émission stimulée d’un autre atome excité. On a alors deux photons. Puis, ces deux photons vont se réfléchir sur l’un des deux miroirs, et rencontrer d’autres atomes excité. Ainsi ils provoquent l’émission stimulée de ceux-ci. Les photons issus de ces émissions stimulées vont se réfléchir sur l’autre miroir, et le cycle recommence.

On comprend alors qu’à chaque trajet entre les deux miroirs, la quantité de photons est amplifiée dans la cavité laser.

L’un des deux miroirs est cependant semi-transparent. C’est-à-dire qu’il laisse s’échapper une partie des photons de la cavité. Ainsi, ces photons qui s’échappent forment le faisceau laser.

Les différences entre les lasers et la lumière dite naturelle


Premièrement, contrairement à la lumière naturelle (celle qui est émise par le Soleil ou par une ampoule par exemple), un faisceau laser est caractérisé par une longueur (ou une plage très restreinte de longueur d’onde).

Ensuite, un faisceau laser possède des propriétés de cohérence, c’est-à-dire que tous les photons d’un faisceau se propagent dans la même direction, de manière rectiligne, même sur de grandes distances [5].

Les lasers sont souvent associés à un système de focalisation composé de lentilles optiques et de miroirs. Ce système permet de concentrer l’énergie émise par un laser sur une encore plus petite surface et ainsi augmenter leur intensité [5].

L’association de ces différentes propriétés est à la base des applications des lasers.

Les applications du laser



Il faut noter que les travaux de recherche qui ont mené à l’invention du laser, sont assez récents à l’échelle de l’histoire de la science. Einstein décrit le mécanisme d’émission stimulée en 1917. Puis, en 1958, Charles Townes et Arthur Schalow décrivent les bases théoriques du laser dans un article scientifique[6].

Le premier laser réalisé est en fait un MASER, c’est-à-dire qu’il émet des micro-ondes et non de la lumière visible. Il a été construit par Théodore Maiman en 1960.

Cependant, à ce moment le laser n’a pas encore d’applications ! Ceci peut paraître étrange car les applications du laser sont multiples à l’heure actuelle.

En recherche

Dans le domaine de la recherche, on peut citer le laser PETAL qui permet, entre autres, l’investigation du phénomène de fusion. C’est-à-dire le « comportement des matériaux dans des conditions extrêmes, similaires à celles du centre des étoiles » par exemple [7].

Dans l'industrie

Du côté de l’industrie, on peut citer les lasers pour la trempe, le soudage, la découpe etc. Les lasers sont aussi utilisés pour la lecture de DVD et de codes-barres, ou encore les télécommunications (fibre optique) [5]. Ils sont aussi présents dans le domaine de la médecine :

  • découpe de la cornée,
  • ou encore, utilisation de fibroscopes permettant l’investigation de différents organes sans avoir à réalise de grandes incisions.

Dans l'armée

Les lasers ont aussi des applications militaires. Ainsi, l’Agence de l’Innovation de Défense (AID) soutient le projet HELMA-P de la société CILAS [8]. Cette solution permet de neutraliser des drones grâce à un appareil se trouvant au sol. A terme, l’objectif serait d’arriver à neutraliser des roquettes ou des mortiers.

On peut enfin citer la technologie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) qui permet d’analyser très finement, en temps réel et sans préparation, la composition chimique d’un échantillon. Cette technique a été ajoutée au rover martien Perseverance, qui a atterri sur Mars en février 2021 [9].

Conclusion

Une scientifique raconte que lorsqu’elle a commencé à travailler en laboratoire en 1972, « certains groupes achetaient des lasers sans avoir encore une idée précise de ce qu’ils en feraient ».

Il est ainsi intéressant d’observer que cette technologie émanant de travaux de recherche fondamentale, sans applications à ses débuts, est maintenant indispensable dans beaucoup de secteurs.

Laure-Patricia BALEP Rédactrice scientifique ABGI

Laure-Patricia BALEP
Rédactrice Scientifique


Sources

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