Chapitre 2 LE LASER. I- Principe de fonctionnement du LASER

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1 Chapitre 2 LE LASER Objectifs : - Connaître le principe de fonctionnement du LASER - Connaître les différents types de LASER et les précautions liées à son utilisation - Connaître les applications médicales du LASER Le mot LASER est constitué par les initiales de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (en français, «Amplification de Lumière par Emission stimulée de rayonnement»). Historique L histoire du LASER débute au XX ème siècle avec la description en 1917 par EINSTEIN du principe de l émission stimulée. Ce concept reste purement théorique un long moment et n est pas mis à profit jusqu en 1950, date à laquelle un physicien français Alfred KASTLER ( prix Nobel de Physique en 1966) propose le principe de pompage optique. En 1953, l américain TOWNES (prix Nobel de physique en 1964) met au point un appareil capable d amplifier les micro-ondes à l aide de l émission stimulée : il s agit du premier MASER ( M comme micro-ondes) Le premier LASER est conçu en 1960 par l américain Théodore MAINMAN : il s agit du LASER à rubis ; laser solide. Le premier laser à gaz est mis au point en 1961 ; il s agit d un laser hélium-néon. I- Principe de fonctionnement du LASER 1. interaction rayonnement-matière On considère un atome soumis à un rayonnement électromagnétique. Les niveaux d énergie accessibles aux électrons de cet atome sont notés,,. correspondant au niveau fondamental. Le rayonnement électromagnétique a une fréquence ν telle que hν = -. Les photons de ce rayonnement peuvent alors interagir avec l atome suivant 3 processus : a) absorption Le photon d énergie E= - peut être absorbé et permettre la transition d un électron du niveau vers le niveau. photon d énergie hν phénomène d absorption DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 1/12

2 b) émission spontanée L émission correspond à la transition inverse ; l électron revient très rapidement à son niveau fondamental avec émission d un photon de même énergie que le photon absorbé. photon d énergie hν phénomène d émission spontanée Cette émission spontanée se fait dans des directions quelconques ; elle est dite isotrope. c) émission stimulée En 1917, EINSTEIN décrit le principe de l émission stimulée. On considère que l atome est excité et possède déjà un électron au niveau d énergie Sous l action du rayonnement électromagnétique d énergie hν = -, la transition de l électron vers le niveau 1 est alors déclenchée ( stimulée) avec émission d un photon. photon incident d énergie hν photon émis photon transmis 2 photons d énergie hν phénomène d émission stimulée La particularité de ce type d émission est que le photon émis (photon stimulé) prend strictement les mêmes caractéristiques que le photon incident ; à savoir : - ils ont la même fréquence, - ils ont la même trajectoire : l émission n est plus isotrope, elle est dite unidirectionnelle - ils évoluent en phase photon émis photon transmis L émission stimulée apparaît donc comme une duplication de la lumière ou un renforcement de l onde incidente. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 2/12

3 Remarque : Pour qu il y ait amplification du rayonnement suivant ce processus, il faut que le nombre d émissions stimulées soit supérieur au nombre des absorptions. Il doit donc y avoir davantage d électrons dans le niveau que dans le niveau : pour cela, on réalise une inversion de population par la méthode de pompage. 2. Le pompage et l inversion de population Il s agit d un procédé mis au point en 1950 par Alfred KASTLER ( ), physicien français. On considère le pompage à trois niveaux. On considère un état initial caractérisé par cette répartition des électrons sur les différents niveaux d énergie. état initial N 2 < N 1 Une excitation du milieu (par décharge électrique, réaction chimique, courant électrique, lampe flash etc ), fait passer des électrons du niveau à un niveau supérieur : pompage Le niveau est caractérisé par une durée de séjour des électrons très courte (de l ordre de 10-8 s) si bien que les électrons passent très rapidement vers le niveau sans émission de photons : on parle de transition non radiative ( perte d énergie par choc entre particules). DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 3/12

4 transition non radiative (rapide) τ = 10-8 s (état métastable) τ = 10-3 s inversion de population N 1 < N 2 La durée de séjour des électrons sur le niveau est relativement «long» ; le niveau est dit métastable. Le niveau se «peuple» donc au détriment du niveau qui se dépeuple. On a réalisé une inversion de population. L inversion de population ne peut être réalisée que dans certains types de milieux. Le milieu qui a subi l inversion de population est appelé milieu actif. 3. Amplification du rayonnement L inversion de population étant réalisée, certains électrons passent spontanément du niveau vers le niveau avec émission de photons d énergie -. Ces photons vont alors interagir avec des électrons sur le niveau avec production d autres photons suivant le phénomène d émission stimulée. De la même manière, ces photons vont à leur tour provoquer une émission stimulée de photons et ainsi de suite Le rayonnement s amplifie alors. émission spontanée puis émissions stimulées avec amplification du rayonnement Lorsque les électrons sont revenus à l état fondamental, ils sont de nouveaux excités par pompage optique. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 4/12

5 4. Schéma de principe du LASER Cependant, le processus d émission stimulée n'est pas suffisant pour produire à lui seul un faisceau laser. C'est pourquoi le milieu actif est placé dans un résonateur optique, aussi appelé oscillateur laser. Pour multiplier les émissions stimulées et amplifier le raisonnement, il faut que les photons émis effectuent plusieurs aller-retour dans le milieu actif. Ainsi ce milieu actif est placé entre deux miroirs plans parallèles, distants de L. L un des miroirs est partiellement transparent pour permettre à une partie de l énergie du faisceau LASER de sortir du milieu actif. Milieu actif L espace entre les deux miroirs constitue une cavité résonante. Il se produit le phénomène de résonance (l amplitude du rayonnement est maximale) lorsque la longueur de la cavité est un multiple de la demi-longueur d onde soit L = k 2 λ. Il est alors possible d obtenir un rayonnement d amplitude très importante même à partir d un rayonnement extrêmement faible. 5. Caractéristiques de la lumière LASER Le rayonnement laser est très directif (le faisceau diverge très peu). On parle aussi de lumière unidirectionnelle. Les photons produits par émission stimulée sont identiques et correspondent à des vibrations de même longueur d onde : il s agit d une lumière monochromatique. On dit aussi que la lumière LASER est caractérisée par une très bonne cohérence temporelle. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 5/12

6 Les vibrations correspondant aux photons émis par émission stimulée sont en phase, on dit que la lumière LASER est caractérisée par une très bonne cohérence spatiale. Illustration de la cohérence spatiale On compare la lumière émise par une source classique de lumière blanche à une lumière LASER. Cas d une lumière émise par une source classique : Les lampes classiques émettent des rayonnements de longueur d onde différentes et de phases indépendantes les unes des autres. 1. Addition de rayonnements sans cohérence temporelle 2. Addition de rayonnements sans cohérence spatiale Dans les deux cas, le rayonnement résultant a une amplitude très atténuée. Cas d une lumière LASER : (cohérences spatiale et temporelle) L amplitude du rayonnement résultant est maximale. Remarque : en réalité, un faisceau LASER présente une très légère divergence. On considère une source LASER. A une distance l = 3m de la source, le diamètre du faisceau est d = 5 mm. En déduire l angle de divergence θ du faisceau : θ d DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 6/12 l

7 On a tan 2 θ = d 2 l = 8, soit θ = 0,095 = 1, rad. On remarque que 2 θ ( en rad) tan 2 θ ce qui est généralisable au cas des angles très petits. Pour des angles très petits, tan θ θ ( en rad). θ θ d On pourra directement écrire tan = = 2 2 2l soit θ = d = 1, rad l 6. Définitions de grandeurs énergétiques a. La puissance (ou flux énergétique) La puissance, aussi appelée flux énergétique d un faisceau est l énergie transportée par unité de E temps soit P = t. Elle s exprime en Watt ( W) ou J.s-1. Cas d un rayonnement monochromatique - Pendant une durée t, on considère que n photons sont émis, chacun transportant une énergie E = h ν. L énergie totale transportée pendant la durée t est donc égale à n. E. - On appelle Φ le débit de photons (ou flux de particules) : c est le nombre de photons émis par unité de n temps soit t. Il s exprime en s-1. - On obtient finalement la puissance transportée par ce rayonnement P = Etotale = t n. E = t n t.e = Φ.E Ainsi P = Φ.E= Φ. hν b. L intensité énergétique (ou puissance surfacique) L intensité énergétique I d un rayonnement est la puissance qui traverse une unité de surface (soit une surface de 1 m 2 ) ; on la définit donc par Elle s exprime en W.m -2. I = S P. c. Comparaison d une source ponctuelle et d une source LASER : On considère une source classique de lumière et une source LASER, de puissance 100W. 1. Calculer la puissance surfacique (ou intensité ) correspondant à la source classique à une distance de 2m 2. Calculer la puissance surfacique du faisceau LASER à une distance de 2 m en considérant ce faisceau non divergent de rayon 2 mm. 3. Déterminer le nombre de photons émis par le LASER pendant une durée de 5s. Donnée : λ = 632,8 nm. Conclusion : la puissance surfacique d une lumière LASER est très élevée, comparativement à une source classique de lumière. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 7/12

8 II - LES DIFFERENTS TYPES DE LASER Il existe différents types de LASER suivant la nature du milieu amplificateur et les particules excitées : les lasers à gaz, les lasers solides On étudiera deux exemples. 1. Un exemple de laser solide : le LASER à rubis Il s agit du premier laser de milieu actif solide mis au point en Il est constitué d un petit cristal cylindrique de rubis : cristal d alumine Al 2O 3 dans lequel certains ions Al 3+ sont remplacés par des ions Cr 3+ (ce qui lui donne une coloration rose) : on parle de dopage de l alumine. Ces ions Cr 3+ constituent les particules excitées par une source d énergie extérieure, ici un tube au néon, alimenté par une haute tension, qui s enroule en hélice autour du cristal. τ=10-8 s Pompage (apport d énergie de 2,26 ev) transition non radiative de 0,48 ev émission de photon émission de photons par émission stimulée τ =10-3 s Calculer la longueur d onde de la radiation émise par ce laser. Quelle est la couleur de cette radiation? λ = 697 nm. Remarque : l émission d un tel LASER est discontinue, on dit que le LASER fonctionne en mode pulsé : l énergie est émise par impulsions. P puissance crête On définit : t = durée d une impulsion T = période des impulsions f = fréquence de répétition des impulsions = 1/T puissance moyenne La puissance crête est la puissance atteinte lors d une impulsion. t temps La puissance moyenne tient compte des intervalles DTS /2011 chapitre 2 LE LASER de temps entre chaque impulsion. 8/12 T

9 Application : Un laser à impulsions produit des impulsions de 10µJ d une durée de 1ns. La fréquence de répétition des impulsions est de 10kHz. 1. Donner la puissance crête des impulsions. 2. Donner la puissance moyenne en sortie du laser. 2. Un exemple de laser à gaz : le LASER hélium-néon (He-Ne) Le laser hélium néon (He Ne) est un des lasers les plus répandus. Il se présente sous la forme d un tube de verre rempli d un mélange gazeux à basse pression ( environ 1/1000 ème de la pression atmosphérique). Le mélange gazeux est constitué essentiellement d hélium ( à 85 %) et de néon ( à 15%). énergie collisions entre atomes 2s 3s pompage hélium état fondamental néon transition radiative λ = 632,8 nm état fondamental Structures électroniques des états fondamentaux à faire compléter par élèves. Une décharge électrique excite l hélium jusqu au niveau 2s : c est le pompage. Ce niveau est proche en énergie du niveau 3 s du néon. Ainsi cette énergie se trouve transférée à des atomes de néon par collision avec des atomes d hélium excités. Ces atomes d hélium se trouvent à leur tour excités. Le niveau 3 s du néon est donc peuplé, on a réalisé l inversion de population. Le retour à l état fondamental des électrons des atomes de néon s accompagne de l émission d un rayonnement de longueur d onde 632,8 nm. Remarques : - les atomes de néon constituent les centres actifs du milieu amplificateur (ce sont les atomes qui subissent l inversion de population). - l émission d un laser He-Ne est continue. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 9/12

10 3. Laser et sécurité Les LASER sont répertoriés en différentes classes suivant la puissance et la longueur d onde des radiations émises. Classe Classe I Classe II Puissance du LASER Puissance faible P < 1 mw Effets Pas de danger dans les conditions normales d utilisation Laser de faible puissance (exemples : imprimantes, lecteurs de CR-ROM, lecteurs de DVD). Gêne pour l œil, pas de danger sur de courtes périodes d exposition. Classe III a Classe III b Puissance moyenne P< 5 mw P < 500 mw Vision directe dangereuse - si le temps d exposition est supérieur à 0,25s ou - à travers un instrument d optique Vision directe toujours dangereuse Vision de sources diffuses sans danger si temps d exposition inférieur à 10s. Classe IV P > 500 mw Danger en cas de vision directe ou diffuse, risques de lésions cutanées et oculaires.risques d incendies DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 10/12

11 III- APPLICATIONS 1. Quelques exemples d application Les effets du faisceau LASER et donc ses applications diffèrent suivant la longueur d onde, l intensité, la durée d exposition Types de LASER Milieu actif Mode d émission Puissance Domaine du rayonnement Quelques applications LASER à rubis Rubis (solide) Emission pulsée 10 MW Visible ( λ = 694 nm) Epilation LASER LASER He-Ne Mélange gazeux hélium-néon Emission continue 3 mw Visible ( λ = 633 nm) Laser d alignement, lecture des code-barres, positionnement des patients en radiographie, pointeur laser. Laser Nd- YAG Grenat d Aluminium et d Ytrium Y 3Al 5O 12 dopé au néodyme Nd 3+ (solide) Emission pulsée 10 MW Infra-rouge (λ = 1,06 µm) Soudage des métaux, découpage des matériaux Laser CO 2 Mélange gazeux constitué d azote, d hélium et de CO 2. Emission continue 1kW Infra-rouge (λ = 10,6 mm) Applications médicales : traitement de tumeurs, de décollements de la rétine, coupe des tissus. découpage de matériaux, soudage de métaux exemple d usinage d une plaque métallique par un laser Chirurgie de la cornée (incision, ablation des surfaces de tissus). Nettoyage et préparation de surface Laser à excimères Gaz de molécules diatomiques Emission pulsée 10 à 100 MW Invisible (UV) Nettoyage de la cathédrale Saint Maurice d Angers au faisceau laser. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 11/12

12 2. Applications médicales L'étude des effets de l'interaction du rayonnement laser avec les tissus biologiques a permis d'établir que ces effets dépendent des conditions de l'interaction rayonnement-tissus, c'est-à-dire de la durée d'exposition, de la puissance, de la longueur d'onde, de la nature du tissu, etc. Ce secteur d'application est l'un des plus importants et il est en constant essor. Il utilise les propriétés de directivité, de monochromaticité et de cohérence du faisceau laser pour arriver à ses fins. Ce domaine d'application est très complexe, car tous les tissus ne répondent pas de la même façon. a. Destruction des cellules Dans ce cas, on choisit un laser dont la longueur d'onde d'émission peut être absorbée par les tissus à détruire, ce qui les fait chauffer. L'effet thermique permet la destruction localisée de cellules par la chaleur. En utilisant cet effet, il est possible de détruire des tumeurs bénignes, d'effacer des angiomes (taches de vin) ou de corriger des problèmes de vision (myopie, cataractes, décollement de la rétine) en mettant à profit la grande intensité du faisceau laser. La lumière laser peut aussi interagir avec des matériaux non vivants à l'intérieur du corps humain. Il est donc possible de réaliser la destruction de pierres au foie ou le déblocage des artères sans effectuer de chirurgie. b. Coupe des tissus On utilise un LASER à CO 2 de faisceau infra-rouge fortement absorbé par les tissus. La puissance surfacique très importante permet d obtenir une coupe rapide et précise dans des conditions d asepsie parfaite avec une bonne cicatrisation. c. Traitement de tumeurs Dans ce nouveau type de traitement, encore au stade expérimental, l'effet photochimique est utilisé afin d'obtenir une destruction sélective des cellules cancéreuses. On injecte au patient un photosensibilateur qui a la propriété de se fixer préférentiellement sur les cellules cancéreuses. Celles-ci absorbent alors la lumière LASER et passent dans un état excité puis émettent des radicaux chimiques destructeurs des cellules malignes. La grande directivité du faisceau LASER est ici utilisée pour détruire avec une grande précision les tumeurs cancéreuses sans toucher aux tissus sains environnants. DTS /2011 chapitre 2 LE LASER 12/12