Les lasers

Comment les lasers fabriquent-ils la lumière ?

Si c’est tout ce que vous voulez savoir sur les lasers, vous pouvez arrêter de lire maintenant ou passer plus bas dans la page aux types de lasers.Cette section reprend les mêmes points de l’encadré ci-dessus avec un peu plus de détails, et un peu plus « théoriquement ».

Vous lirez souvent dans les livres que « laser » signifie amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. C’est un terme complexe et déroutant mais, si vous le démontez lentement, c’est en fait une explication très claire de la façon dont les lasers fabriquent leurs faisceaux de lumière surpuissants.

Émission spontanée

Commençons par le « R » de laser : rayonnement.Le rayonnement que les lasers produisent n’a rien à voir avec la radioactivité dangereuse, le truc qui fait cliquer les compteurs Geiger, que les atomes crachent quand ils s’assemblent ou se désagrègent. Les lasers produisent un rayonnement électromagnétique, tout comme la lumière ordinaire, les ondes radio, les rayons X et les infrarouges. Bien qu’ils soient toujours produits par les atomes, ils les produisent (« émettent ») d’une manière totalement différente, lorsque les électrons sautent de haut en bas à l’intérieur d’eux. On peut imaginer que les électrons des atomes sont assis sur des niveaux d’énergie, qui sont un peu comme les barreaux d’une échelle. Normalement, les électrons se trouvent au niveau le plus bas possible, appelé état fondamental de l’atome. Si vous injectez la bonne quantité d’énergie, vous pouvez faire passer un électron au niveau supérieur, c’est-à-dire au barreau suivant de l' »échelle ». C’est ce qu’on appelle l’absorption et, dans son nouvel état, on dit que l’atome est excité, mais il est aussi instable. Il retourne très rapidement à l’état fondamental en libérant l’énergie qu’il a absorbée sous forme de photon (particule de lumière). On appelle ce processus émission spontanée de rayonnement : l’atome émet de la lumière (émet un rayonnement) tout seul (spontanément).

Photo : Des bougies aux ampoules électriques et des lucioles aux lampes de poche, toutes les formes conventionnelles de lumière fonctionnent par le processus d’émission spontanée. Dans une bougie, la combustion (réaction chimique entre l’oxygène et le combustible, en l’occurrence la cire) excite les atomes et les rend instables. Ils émettent de la lumière lorsqu’ils reviennent à leur état initial (fondamental). Chaque photon produit par émission spontanée à l’intérieur de cette flamme de bougie est différent de tous les autres photons, c’est pourquoi il y a un mélange de différentes longueurs d’onde (et couleurs), ce qui donne la lumière « blanche ». Les photons émergent dans des directions aléatoires, avec des ondes déphasées les unes par rapport aux autres (« déphasées »), ce qui explique pourquoi la lumière de la bougie est beaucoup plus faible que la lumière du laser.

Émission stimulée

Normalement, un groupe typique d’atomes aurait plus d’électrons dans leur état fondamental que dans leur état excité, ce qui est une des raisons pour lesquelles les atomes n’émettent pas spontanément de lumière.Mais que se passerait-il si on excitait ces atomes – en les pompant à fond – pour que leurs électrons soient dans des états excités. Dans ce cas, la « population » d’électrons excités serait plus importante que la « population » dans leur état fondamental, et il y aurait donc beaucoup d’électrons prêts à produire des photons de lumière. Nous appelons cette situation une inversion de population, car les états habituels des atomes sont intervertis (inversés). Supposons maintenant que nous puissions maintenir nos atomes dans cet état pendant un certain temps afin qu’ils ne retombent pas automatiquement dans leur état fondamental (un état temporairement excité connu sous le nom de méta-état stable). Nous pourrions alors découvrir quelque chose de très intéressant. Si nous tirons un photon avec la bonne énergie à travers notre groupe d’atomes, nous ferons en sorte que l’un des électrons excités redescende à son état fondamental, émettant à la fois le photon que nous avons tiré et le photon produit par le changement d’état de l’électron. Comme nous stimulons les atomes pour en extraire un rayonnement, ce processus est appelé émission stimulée. Nous obtenons deux photons après avoir introduit un photon, doublant ainsi notre lumière et l’amplifiant (l’augmentant). Ces deux photons peuvent stimuler d’autres atomes pour qu’ils émettent d’autres photons et, très vite, nous obtenons une cascade de photons – une réaction chimique – qui émet un faisceau brillant de lumière laser pure et cohérente. Ce que nous avons fait ici, c’est amplifier la lumière en utilisant l’émission stimulée de rayonnement – et c’est ainsi qu’un laser obtient son nom.

Artwork : Comment les lasers fonctionnent en théorie : A gauche : Absorption : Tirez de l’énergie (verte) dans un atome et vous pouvez déplacer un électron (bleu) de son état fondamental à un état excité, ce qui signifie généralement le pousser plus loin du noyau (gris). Milieu : L’émission spontanée : Un électron excité retourne naturellement à son état fondamental, en émettant un quantum (paquet d’énergie) sous forme de photon (ondulation verte). A droite : Émission stimulée : En envoyant un photon près d’un groupe d’atomes excités, vous pouvez déclencher une cascade de photons identiques. Un photon de lumière en déclenche plusieurs, donc ce que nous avons ici est l’amplification de la lumière (faire plus de lumière) par émission stimulée de rayonnement (électromagnétique) – LASER !.

Qu’est-ce qui rend la lumière laser si différente ?

Si c’est ainsi que les lasers font de la lumière, pourquoi ne font-ils pas une seule couleur et un faisceau cohérent ? Cela se résume à l’idée que l’énergie ne peut exister que dans des paquets fixes, chacun d’entre eux étant appelé un quantum. C’est un peu comme l’argent. L’argent ne peut exister qu’en multiples de l’unité de base de votre monnaie, qui peut être un cent, un penny, une roupie ou autre. Vous ne pouvez pas avoir un dixième de cent ou un vingtième de roupie, mais vous pouvez avoir 10 cents ou 20 roupies. Il en va de même pour l’énergie, et c’est particulièrement perceptible à l’intérieur des atomes.

Comme les barreaux d’une échelle, les niveaux d’énergie dans les atomes sont à des endroits fixes, avec des espaces entre eux. Vous ne pouvez pas poser votre pied n’importe où sur une échelle, seulement sur les barreaux ; et exactement de la même manière, vous ne pouvez déplacer les électrons dans les atomes qu’entre les niveaux d’énergie fixes. Pour faire sauter un électron d’un niveau inférieur à un niveau supérieur, il faut introduire une quantité précise (quantum) d’énergie, égale à la différence entre les deux niveaux d’énergie. Lorsque les électrons redescendent de leur état excité à leur état fondamental, ils émettent la même quantité précise d’énergie, qui prend la forme d’un photon de lumière d’une couleur particulière. L’émission stimulée dans les lasers fait que les électrons produisent une cascade de photons identiques – identiques en énergie, en fréquence, en longueur d’onde – et c’est pourquoi la lumière laser est monochromatique. Les photons produits sont équivalents à des ondes lumineuses dont les crêtes et les creux sont alignés (en d’autres termes, ils sont « en phase ») – et c’est ce qui rend la lumière laser cohérente.

Types de lasers

Photo : Les lasers – tels que la plupart d’entre nous les connaissent : Voici le laser et la lentille qui scannent les disques à l’intérieur d’un lecteur de CD ou de DVD. Le petit cercle en bas à droite est une diode laser à semi-conducteur, tandis que le grand cercle bleu est la lentille qui lit la lumière du laser après qu’elle a rebondi sur la surface brillante du disque.

Puisque nous pouvons exciter de nombreux types d’atomes de différentes manières, nous pouvons (théoriquement) fabriquer de nombreux types de lasers différents.En pratique, il n’existe qu’une poignée de types courants, dont les cinq plus connus sont les lasers à solide, à gaz, à colorant liquide, à semi-conducteur et à fibre.

Les solides, les liquides et les gaz sont les trois principaux états de la matière et nous donnent trois types différents de lasers. Les lasers à l’état solide sont comme ceux que j’ai illustrés plus haut. Le milieu est une tige d’arsenic ou un autre matériau cristallin solide, et un tube à éclairs l’entoure pour pomper l’énergie de ses atomes. Pour fonctionner efficacement, le solide doit être dopé, un processus qui remplace certains de ses atomes par des ions d’impuretés, ce qui lui confère les niveaux d’énergie nécessaires pour produire une lumière laser d’une fréquence précise. Les lasers à l’état solide produisent des faisceaux de grande puissance, généralement par impulsions très brèves. Les lasers à gaz, en revanche, produisent des faisceaux lumineux continus en utilisant des composés de gaz nobles (dans ce que l’on appelle les lasers à excimères) ou du dioxyde de carbone (CO2) comme milieu, pompés par l’électricité. Les lasers CO2 sont puissants, efficaces et généralement utilisés pour la découpe et le soudage industriels. Les lasers à colorant liquide utilisent comme milieu une solution de molécules de colorant organique, pompée par une lampe à arc, une lampe flash ou un autre laser. Leur grand avantage est qu’ils peuvent être utilisés pour produire une plus large bande de fréquences de lumière que les lasers à l’état solide et à gaz, et ils peuvent même être « accordés » pour produire différentes fréquences.

Alors que les lasers à l’état solide, liquide et à gaz ont tendance à être grands, puissants et coûteux, les lasers à semi-conducteurs sont des dispositifs bon marché, minuscules, en forme de puce, utilisés dans des choses comme les lecteurs de CD, les imprimantes laser et les lecteurs de codes-barres. Ils fonctionnent comme un croisement entre une diode électroluminescente (DEL) classique et un laser traditionnel. Comme une LED, elles produisent de la lumière lorsque des électrons et des « trous » (en fait, des « électrons manquants ») se déplacent et s’assemblent ; comme un laser, elles génèrent une lumière cohérente et monochromatique. C’est pourquoi on les appelle parfois des diodes laser (ou lasers à diodes). Pour en savoir plus, lisez notre article sur les diodes laser à semi-conducteurs.

Enfin, les lasers à fibre travaillent leur magie à l’intérieur des fibres optiques ; en fait, un câble à fibre optique dopé devient le milieu amplificateur. Ils sont puissants, efficaces, fiables et permettent d’acheminer facilement la lumière laser là où on en a besoin.

À quoi servent les lasers ?

Lorsque Theodore Maiman a développé le premier laser pratique, peu de gens ont réalisé l’importance que ces machines allaient éventuellement prendre. Goldfinger, le film de James Bond de 1964, offrait un aperçu alléchant d’un avenir où les lasers industriels pouvaient trancher comme par magie tout ce qui se trouvait sur leur chemin – même les agents secrets ! La même année, à l’occasion de l’attribution du prix Nobel de physique au pionnier du laser Charles Townes, le New York Times a suggéré qu' »un faisceau laser pourrait, par exemple, transmettre simultanément tous les programmes de radio et de télévision du monde et plusieurs centaines de milliers d’appels téléphoniques. Il est largement utilisé pour la télémétrie et le suivi des missiles ». Plus d’un demi-siècle plus tard, des applications comme celle-ci – outils de précision, communication numérique et défense – demeurent parmi les utilisations les plus importantes des lasers.

Photo : Chaque fois qu’elle imprime un document, l’imprimante laser sur votre bureau s’active à stimuler des zillions d’atomes ! Le laser qu’elle contient sert à dessiner une image très précise de la page que vous voulez imprimer sur un grand tambour, qui capte l’encre alimentée (toner), et la transfère sur le papier.

Outils

Les outils de coupe basés sur les lasers CO2 sont largement utilisés dans l’industrie : ils sont précis, faciles à automatiser et, contrairement aux couteaux, n’ont jamais besoin d’être affûtés. Alors que les pièces de tissu étaient autrefois coupées à la main pour fabriquer des jeans, les tissus sont aujourd’hui découpés par des lasers guidés par des robots. Ils sont plus rapides et plus précis que les humains et peuvent couper plusieurs épaisseurs de tissu à la fois, ce qui améliore l’efficacité et la productivité. La même précision est tout aussi importante en médecine : les médecins utilisent régulièrement des lasers sur le corps de leurs patients.Pour tout, de l’explosion des tumeurs cancéreuses à la cautérisation des vaisseaux sanguins, en passant par la correction des problèmes de vision des gens (la chirurgie oculaire au laser, la réparation des rétines décollées et le traitement des cataractes font tous appel aux lasers).

Communications

Les lasers constituent le socle de toutes sortes de technologies numériques du 21e siècle. Chaque fois que vous passez vos achats dans le lecteur de codes-barres d’une épicerie, vous utilisez un laser pour convertir un code-barres imprimé en un nombre que l’ordinateur de la caisse peut comprendre. Lorsque vous regardez un DVD ou écoutez un CD, un faisceau laser à semi-conducteurs rebondit sur le disque en rotation pour convertir son motif de données imprimé en chiffres ; une puce informatique convertit ces chiffres en films, en musique et en son. Avec les câbles à fibres optiques, les lasers sont largement utilisés dans une technologie appelée photonique – utilisant des photons de lumière pour communiquer, par exemple, pour envoyer de vastes flux de données dans les deux sens sur Internet.Facebook expérimente actuellement l’utilisation de lasers (au lieu d’ondes radio) pour établir de meilleures connexions avec les satellites spatiaux, ce qui pourrait conduire à des débits de données plus élevés et à un accès à Internet bien amélioré dans les pays en développement.

Photo : Les armes laser sont-elles l’avenir ? Voici le système d’armes laser (LaWS) de la marine américaine,qui a été testé à bord de l’USS Ponce en 2014. Il n’y a pas de balles ou de missiles coûteux avec une arme laser comme celle-ci, juste un approvisionnement sans fin d’énergie férocement dirigée. Photo de John F. Williams avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Défense

L’armée a longtemps été l’un des plus grands utilisateurs de cette technologie, principalement dans les armes et les missiles guidés par laser.Malgré sa popularisation dans les films et à la télévision, l’idée de science-fiction d’armes laser pouvant couper, tuer ou aveugler un ennemi est restée fantaisistejusqu’au milieu des années 1980. En 1981, le New York Times est allé jusqu’à citer un « expert militaire en laser » qui disait : « C’est tout simplement stupide. Il faut plus d’énergie pour tuer un seul homme avec un laser que pour détruire un missile ». Deux ans plus tard, les armes laser à longue portée deviennent officiellement le fondement de la controversée Initiative de défense stratégique (IDS) du président américain Ronald Reagan, mieux connue sous le nom de « programme de guerre des étoiles ». L’idée initiale était d’utiliser des lasers à rayons X basés dans l’espace (entre autres technologies) pour détruire les missiles ennemis entrants avant qu’ils n’aient le temps de faire des dégâts, mais le plan a progressivement disparu après l’effondrement de l’Union soviétique et la fin de la guerre froide.

Malgré cela, les scientifiques de la défense ont continué à faire passer les missiles à base de laser de la science-fiction à la réalité. La marine américaine a commencé à tester le LaWS (Laser Weapon System)à bord du navire USS Ponce dans le golfe Persique en 2014. Utilisant des lasers à l’état solide pompés par des LED, il a été conçu pour endommager ou détruire l’équipement ennemi de manière plus rapide et plus précise que les missiles conventionnels. Les tests se sont avérés concluants,et la Marine a annoncé des contrats pour construire d’autres systèmes LaWS en 2018.Pendant ce temps, le développement de lasers spatiaux se poursuit, bien qu’aucun n’ait été déployé jusqu’à présent.

Photo : Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie ont développé le laser le plus puissant du monde, le National Ignition Facility (NIF), pour la recherche nucléaire. Installé dans un bâtiment de 10 étages occupant une surface équivalente à trois terrains de football, il utilise 192 faisceaux laser distincts pour délivrer jusqu’à 500 trillions de watts de puissance (100 fois plus d’énergie que tout autre laser), générant des températures allant jusqu’à 100 millions de degrés. Le NIF a coûté au total 3,5 milliards de dollars et devrait alimenter la recherche nucléaire de pointe pendant les 30 prochaines années. À gauche : l’une des deux baies laser du National Ignition Facility. À droite : comment ça marche : Les faisceaux du laser sont concentrés sur une petite pastille de combustible dans une chambre pour produire des températures intenses (comme celles qui règnent au cœur des étoiles). L’idée est de produire une fusion nucléaire (faire se rejoindre des atomes) et de libérer une quantité massive d’énergie. Crédit photo : Lawrence Livermore National Laboratory.