Laser. Introduction. Rayon laser à travers un dispositif optique

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1 Laser Rayon laser à travers un dispositif optique Laser est l'acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations). Il est le descendant du maser, acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, et il s'est d'abord appelé maser optique. Introduction Le Laser est un dispositif qui amplifie la lumière (et plus généralement tout rayonnement électromagnétique). Une source Laser associe un amplificateur à une cavité optique généralement constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des deux est semiréfléchissant, c'est à dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble impliquent que la géométrie du faisceau émis est directif (peu divergent) et cohérent, spatialement et temporellement. Ainsi la lumière laser est extrêmement directionnelle. De plus le rayonnement émis est d'une grande pureté puisqu'il ne contient,dans le pire des cas, que des longueurs d'ondes très proches les unes des autres : elles sont espacées de quelques nanomètres. Différentes techniques permettent d'obtenir une seule longueur d'onde précise imposée par le milieu amplificateur. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (masers) puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et on commence même à les appliquer aux rayons X.

2 Principe du laser Démonstration de laser Helium-Neon au laboratoire Kastler-Brossel à l'université Pierre et Marie Curie. Principe de fonctionnement du laser: 1) milieu excitable 2) énergie de pompage 3) miroir totalement réfléchissant 4) miroir semi-réfléchissant 5) faisceau laser La matière est formée d'atomes, eux-mêmes constitués d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour. Pour simplifier, les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergies («couches») caractérisés par un nombre quantique n (nombre entier naturel supérieur ou

3 égal à 1). Plus n est petit (proche de 1), plus les électrons sont «proches» du noyau, plus il faut d'énergie pour les «arracher» à l'atome. Chaque état de l'atome correspond à une énergie bien précise, négative par convention (parce qu'il faut fournir de l'énergie pour arracher les électrons, l'état où l'électron est libre étant pris comme conventionnellement le niveau d'énergie nulle). Du point de vue atomique, il existe trois types de réactions photoniques possibles : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée. Dans l'absorption, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et un de ses électrons atteint alors le niveau d'énergie supérieur (plus loin du noyau) ; l'atome est alors dans un état dit excité, instable : l'atome est prêt à rendre l'énergie qu'il a acquise pour retourner à son état antérieur (ou un autre état stable). Dans le cas des laser on parle de pompage optique. Noter que le pompage optique n'est pas la seule méthode pour mettre des atomes dans un état excité : il est possible par exemple d'exploiter une réaction chimique, ou encore un bombardement par d'autres sortes de particules. L'émission est le phénomène inverse : un atome excité retombe à un état plus stable. L'électron dans un haut niveau d'énergie retourne à un état d'énergie plus basse, et l'atome émet le surplus d'énergie sous forme d'un photon ; le retour à l'état le plus stable peut passer par plusieurs étapes (plusieurs états d'énergie intermédiaire), auquel cas il y aura l'émission de plusieurs photons qui se partageront l'énergie d'excitation. Les photons ainsi produits ont tous une énergie bien précise, correspondant à la différence d'énergie entre l'état de départ de l'atome et son état final. L'émission peut se produire spontanément, mais elle peut également être stimulée par un photon dont l'énergie correspond à l'énergie d'un photon que l'atome excité peut produire spontanément. Dans ce cas, la désexcitation de l'atome provoque l'émission d'un autre photon qui a exactement les mêmes caractéristiques (longueur d'onde, direction et phase) que celui qui a provoqué la désexcitation (même état vibratoire des deux photons) : on obtient donc deux photons identiques. Le phénomène laser provient d'un effet d'avalanche : chacun des deux photons identiques peut à son tour provoquer la désexcitation d'autres atomes, produisant toujours plus de photons toujours identiques. Le principe de la source laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission stimulée de photons. Pour cela, un laser possède un réservoir d'électrons (ce réservoir peut être solide, liquide ou gazeux) associé à une source excitante qui «pompe» les électrons à de hauts niveaux d'énergies. Dans un second temps, un photon est injecté dans le milieu ce qui produit, pendant la désexcitation d'un des atomes, un deuxième photon identique. Ces deux photons produisent à leur tour deux autres photons identiques pendant la désexcitation de deux autres atomes. Ces quatre photons etc. C'est une réaction en chaîne. Outre l'intensification du rayon laser, ce phénomène consomme très rapidement les atomes excités, qu'il est difficile de reconstituer aussi vite : il est donc très difficile de faire fonctionner un laser en mode continu, en pratique les laser fonctionnent en mode par impulsions (mais on peut

4 obtenir des «rafales» tellement dense que la différence avec un mode continu est peu sensible). Dans un laser, le photon de stimulation (et donc la lumière de sortie) est d'une nature (énergie) différente des photons utilisés pour le pompage optique : dans le cas contraire, au lieu de produire une excitation des atomes les photons de pompage pourraient provoquer une émission stimulée, avec globalement un rendement nul. Typiquement, le laser joue sur trois niveaux d'énergie : le pompage fait passer les atomes du niveau le plus bas au niveau le plus élevé, les atomes passent spontanément à un niveau intermédiaire (ce qui évite l'émission stimulée par la lumière de pompage), et c'est le retour du niveau intermédiaire vers le niveau le plus bas qui est stimulé avec production du rayon laser. Le rayonnement laser est accumulé entre deux surfaces réfléchissantes, qui forment ce qu'on appelle une cavité résonante, avant de le relâcher sous forme de faisceau. Deux miroirs, dont l'un semi réfléchissant, situés aux extrémités du laser se renvoient les photons émis, donc la réaction en chaîne ne s'arrête pas lorsqu'on arrive au bout du réservoir d'électron, on les renvoie dans le réservoir et la chaîne se poursuit dans l'autre sens. Ainsi la lumière s'intensifie à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit libérée par le miroir partiellement transparent à l'extrémité du dispositif. Pour certaines applications très énergétiques, le faisceau émis traverse des amplificateurs complémentaires associés à des dispositifs optiques complexes permettant des expériences scientifiques de recherche fondamentale, ou des applications industrielles (soudure, découpe, gravure...). Historique Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier maser (maser au gaz ammoniac) est conçu par J.P. Gordon, H.J. Zeiger et Ch.H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N.G. Bassov, A.M. Prokhorov, A.L. Schawlow et Ch.H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtint pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard Ali Javan mit au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin alias Peter Pan construisit le premier laser à liquide. Ironie de l'histoire, Townes, Bassov, Schawlow et Prokhorov reçurent un prix Nobel en 1964 pour leurs travaux en commun alors que Maiman, véritable inventeur du laser, ne reçut aucun prix. Le laser resta un moment une invention sans application pratique. Différents types de laser On classe les lasers selon cinq familles, en fonction de la nature du milieu excité. Lasers cristallins (à solide)

5 Ces lasers utilisent des milieux solides tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion Cr 4+ (Chrome). D'autres ions sont très utilisés (la plupart des terres rares (Nd, Yb, Pr, Er, Tm...), le titane, le chrome...). La longueur d'onde d'émission du laser dépend essentiellement de l'ion dopant mais la matrice influe aussi. Ainsi le verre dopé au Nd n'émet pas à la même longueur d'onde (1053 nm) que le YAG dopé au Néodyme (1064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes --millionnième de millliardième de seconde). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible, le proche infrarouge que dans l'ultraviolet. Le milieu amplificateur peut être un barreau dans le cas d'un laser Nd:YAG (donc dopé au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium ), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre (donc dopé au Yb et la matrice est en silice). Exemple : le laser à Néodyme Nd : Yag (Infra Rouge 1064 nm), où l'atome actif (Nd) est inclus dans une matrice cristalline de YAG = Yttrium-Aluminium-Grenat. Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable. Ces lasers permettent d'obtenir des puissance de l'ordre du kw en continu et du GW en pulsé. Ils sont utilisé pour des applications tant scientifiques qu'industrielles en particulier pour le soudage, le marquage et la découpe de matériaux. Lasers à colorants Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant inorganique en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur ce qui rend ce type d'appareil très précis. Le choix du colorant détermine éssentiellement la couleur du rayon qu'il émettera. Lasers à gaz Le milieu générateur de photons est ici un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très pure. Les exemples les plus connus sont les lasers à Hélium-Néon qui sont utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles. À noter que les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 10^6 W. Exemple : le laser CO 2 (Infra-Rouge, à 10,6 µm), He-Ne (Rouge, à 632,8 nm). Lasers à semi-conducteurs - diodes laser - VCSEL

6 Ces lasers sont principalement constitués d'une diode à semi-conducteur afin de produire un faisceau lumineux. 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 : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un coefficient de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser. C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaire) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, leurs avantages sont nombreux : tout d'abord, ils permettent 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 excellent rendement (de l'ordre de 30 à 40 %). Ces lasers sont peu couteux, très compacts (la zone active est micrométrique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge ou du proche infra-rouge restent les plus utilisés et les moins couteux. Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), télécommunications, imprimantes, dispositifs de "pompage" pour de plus gros lasers (de type lasers à solide), pointeurs. La réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de mètres. Quelques bémols tout de même, la lumière émise est en général moins directionnelle et moins "pure" spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz en particulier). Ceci n'est pas un problème pour la majorité des applications. Un dispositif très proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la diode électroluminescente (D.E.L., ou L.E.D. en anglais) : le dispositif de pompage est le même, mais la lumière n'est pas stimulée, elle est produite par désexcitation spontanée, de sorte que la lumière produite ne présente pas les propriétés de cohérence caractéristique du laser. Lasers à électrons libres (LEL) Ce type de laser est très particulier, car son principe est tout à fait différent de celui exposé plus haut. La lumière n'y est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un rayonnement synchrotron produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique périodique (grâce à un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifié et devient cohérent, c est-à-dire qu'il acquiert les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers. Il suffit de régler la vitesse des électrons pour fournir une lumière de fréquence ajustée très finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux

7 élevés. On peut également disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche. Applications Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc ) Marquage Mesure de distance (télémétrie par interférométrie) Médecine (ophtalmologie...) Usinage et traitement des matériaux (perçage, découpe, soudure...) Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP). Télécommunications via réseaux de fibres optiques Caractérisations de matériaux Fusion nucléaire controlée Holographie Spectacle «son et lumière» Transmission inter-satellitaire Refroidissement de plasmas l'absorption à deux photons Physiothérapie (débridement) Etude de l'atmosphère (Lidar)