Le laser a 50 ans

Publié le 24/09/2010 à 23:00 - 18 min - Modifié le 30/09/2022 par Admin linflux

Le laser fête ses 50 ans. Acronyme de "light amplification by stimulated emission of radiation", il a conquis, au fil des années, de nombreux champs d'application et est aujourd'hui utilisé quotidiennement. Coup de projecteur sur cette "success-story" scientifique.

© Pixabay

Voyage au coeur de la lumière de Xuan Thuan TRINH, éd. Gallimard, 2008.
La lumière a longtemps été une source d’interrogation et a donné lieu à des théories qui nous apparaissent aujourd’hui bien farfelues : ainsi Platon et certains présocratiques croyaient que les rayons lumineux émanaient des yeux. Aristote pensait que les couleurs étaient un mélange de lumière et d’obscurité et que la vision découlait d’une interaction entre l’œil et l’objet.
Au XIème siècle, Alhazen démontre que ce n’est pas l’œil qui envoie des rayons vers les objets… puisque regarder le soleil brûle la rétine ! Ce ne sont pas non plus les objets qui envoient des images vers l’œil puisque la vision des objets dépend de leur éclairement. Le phénomène lumineux est ainsi dissocié de sa perception. Reste à découvrir sa nature.

La lumière à ma portée. Du soleil au laser, la lumière dans tous ses états, Guy Taieb, Raymond Vetter, éd. Cépaduès.
Les auteurs de cet ouvrage font le point sur les recherches qui ont amené aux découvertes des multiples propriétés de la lumière.
Au XIIème siècle, l’étude des arcs-en-ciel entamée par Freiberg puis Bacon permet d’établir la nature polychromatique de la lumière. Etudes approfondies au XVIème et XVIIème siècle par Keppler, Galilée, Snell, Descartes, Fermat et Newton. Ce dernier soutient que la lumière est constituée de corpuscules au contraire de Christian Huygens qui penche pour une nature ondulatoire. Cette dualité onde/particule est alors tranchée en faveur de l’onde par les recherches de Young, Malus et Fresnel.

Le LASER est en fait l’héritier de la double nature de la lumière, comme le souligne Evelyn Gil dans D’où vient la lumière LASER ?, éd. du Pommier.
En effet, la théorie ondulatoire et la théorie corpusculaire se complètent et permettent d’appréhender l’ensemble des propriétés de la lumière. A chaque particule de lumière ou photon (la plus petite quantité d’énergie lumineuse, indivisible), on associe ainsi une onde.
En 1876, James Clerk Maxwell précise la nature de l’onde de lumière : L’onde lumineuse est une onde ou rayonnement ou radiation électromagnétique, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un champ électrique et d’un champ magnétique se propageant ensemble, dans deux plans perpendiculaires. Chacun de ces champs vibre comme une cordelette. Notre œil n’est sensible qu’aux oscillations du champ électrique.
La lumière est bien une onde du même type que l’onde hertzienne qui transporte les informations télévisuelles et radiophoniques. (…) Notre œil ne peut voir ces grandes ondes. En revanche, il est capable de détecter un ensemble d’ondes dont la longueur varie dans l’air entre 0.40 et 0.70 micromètre. (…) cet ensemble de longueurs d’onde définit un spectre dit « visible ».

1917-1960 : D’une énigme à une réalité, l’invention du LASER

De façon générale, les électrons (qui gravitent autour du noyau des atomes) possèdent des niveaux d’énergie et peuvent passer de l’un à l’autre en absorbant ou en émettant un photon.
Un atome excité (par absorption d’énergie) revient vers son état fondamental en produisant un photon dans n’importe quelle direction (émission spontanée).
En 1917, Albert Einstein, effectuant des équations pour modéliser les corps noirs, n’y parvient qu’en introduisant la notion « d’émission stimulée ». Il émet l’hypothèse selon laquelle dans le cas où la désexcitation d’un atome n’est plus naturelle mais provoquée par la rencontre avec un photon adéquat, le photon émis a les mêmes caractéristiques que le photon initial.
Si l’on multiplie cette expérience un grand nombre de fois, on obtient donc une lumière faite de photons identiques, qui se déplacent sous forme de “train” d’ondes allant tous dans la même direction… une lumière laser.
Pour un résumé sous forme de BD, consultez le blog de Benjamin Bradu, ingénieur au CERNMais ce phénomène est plutôt appréhendé dans un premier temps comme un artifice de calcul : à quoi peut servir de photocopier des trains d’ondes ? Par ailleurs il ne peut y avoir d’émission stimulée que si les atomes sont déjà excités ; or au naturel, les électrons se trouvent dans des niveaux d’énergie inférieurs et se contentent d’absorber les trains d’ondes…En 1949, le physicien français Kastler trouve une première solution au problème des niveaux d’énergie insuffisant des électrons au naturel avec l’invention du pompage optique (méthode qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes).
En 1953, deux chercheurs américains, Charles Townes et son beau-frère Arthur Schawlow reconsidèrent le problème. Townes est familier des systèmes assistés par radar et donc des micro-ondes qui sont utilisées dans leur fonctionnement. Il a l’idée de créer un flux de photons identiques par l’amplification d’une onde électromagnétique. Il crée alors le premier MASER (Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation, ou amplification de micro-ondes par émission stimulée de radiation).
Ensemble ils jettent les bases théoriques du LASER (Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation), sans parvenir à concrétiser cette découverte.
C’est Theodore Maiman qui réussit en 1960 à fabriquer le premier laser en utilisant un barreau de rubis.
Paradoxalement, cette découverte qui s’est faite sans grand moyens financiers va être une des plus rentables.

Fonctionnement et particularités du LASER

Schéma de fonctionnement d’un LASER

1. Un milieu actif, excitable : il peut être solide, liquide ou gazeux.
2. Le pompage optique : pour obtenir la lumière laser, il faut exciter les atomes du milieu actif en leur fournissant de l’énergie (électrique, chimique ou lumineuse). Le milieu actif possède alors davantage d’atomes d’énergie élevée que d’atomes de basse énergie.
3. Miroir totalement réfléchissant : les photons sont renvoyés dans le milieu actif par les miroirs qui se font face. Ils désexcitent ainsi les atomes et génèrent de la lumière.
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Comme dans une réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : c’est la première amplification de la lumière laser. Source : Le Laser, un concentré de lumière, CEA.
4. Miroir semi-réfléchissant : il permet de faire sortir du milieu amplificateur une petite fraction de lumière, celle du faisceau laser. (Afin d’obtenir une puissance plus importante de laser, des amplificateurs peuvent être utilisés -sous la forme d’une succession d’oscillateur sans miroir dans lesquels le milieu laser est excité par une source d’énergie).

Les particularités de la lumière laser

La lumière ordinaire est :

– de plusieurs couleurs. Même si elle apparaît « blanche », la lumière peut être décomposée à l’aide d’un prisme, l’arc-en-ciel met également en valeur toutes ses couleurs
– multidirectionnelle : la lumière se diffuse dans toutes les directions
– désordonnée : les différentes ondes lumineuses ne sont pas émises en même temps. Elles oscillent indépendamment les unes des autresA l’inverse, la lumière laser est :

– monochromatique : chaque laser à une couleur bien distincte
– unidirectionnelle : le faisceau laser est étroit et non divergent
– ordonnée (ou cohérente) : toutes les ondes lumineuses sont en phase
Ces particularités expliquent les multiples applications qui vont découler du laser…
Le site pédagogique, réalisé par l’ONERA (centre français de recherche aérospatiale) et les Editions de l’Analogie,
propose une comparaison interactive entre la lumière ordinaire et la lumière laser.Pour en savoir plus :

• un cours en ligne très clair de l’Université du Mans
• sur le site du Commissariat à l’Energie Atomique : Le laser, un concentré de lumière
• un dossier d’étudiants de l’INSA

2/ Des lasers multi-fonctions

Des qualités utiles pour la recherche…

Monochromaticité : c’est tout d’abord en physique grâce à leurs propriétés monocolores que les lasers sont utilisés. Chaque atome et isotope possède des longueurs d’ondes particulières d’absorption et d’émission. Avec l’apparition en 1966 des lasers à colorants, en variant la concentration des colorants chimiques qui constituent le milieu actif de ces lasers, on peut balayer les raies atomiques : c’est-à-dire cibler les unes après les autres les différentes longueurs d’ondes absorbées par les atomes observés.
Grâce aux lasers, il est ainsi possible d’identifier des molécules en milieu gazeux, alors que l’on compte 3.10[^19^] molécules dans 1 cm[^3^].Directivité et cohérence : cette particularité en fait un bon outil de mesure. En effet, contrairement à la lumière qui se disperse, le faisceau laser est très faiblement divergent, il peut ainsi servir de pointeur… et rend possible le calcul de la distance Terre-Lune : un miroir a été placé sur la lune par la mission Apollo, un laser s’y réfléchit puis est détecté sur terre par un miroir parabolique (même si ce signal reste très faible, diminué par les turbulences atmosphériques). Puisque l’on connaît la vitesse de la lumière ne reste plus qu’à mesurer le temps que prend cet aller-retour. Cette mesure de la distance Terre-Lune (384 402 000,478 m) a permis de mettre en évidence la dérive de la Lune qui s’éloigne de la Terre de quelques millimètres chaque année.Puissance : elle varie, pour les lasers les plus couramment utilisés, entre quelques dizaines de Watts et 50 000 Watts lorsqu’ils délivrent l’énergie en continu.

…qui ont trouvé des applications dans de nombreux secteurs d’activités

Le Laser, 50 ans de découvertes, ouvrage coordonné par Fabien Bretenaker, Nicolas Treps, éd. EDP Sciences.
Un ouvrage très complet qui permet de faire le point sur les différents types de laser et leurs multiples applications, nés de 50 ans de recherche :

dans l’industrie

Les lasers percent, découpent, soudent avec une grande précision des matériaux très variés : métaux, verre, plastiques, cuir, bois, etc. Ils décapent des traces de pollutions, de peinture, de graisse (la technique est utilisée pour le ravalement des façades de monuments historiques classés). La possibilité de travailler avec des impulsions très courtes (de l’ordre de la femtoseconde – 10[^-12^]s permet de doser l’énergie suivant l’effet recherché : elles rendent ainsi possible un découpage sans bavures, alors que les lasers classiques avaient tendance à chauffer et brûler les bords de la découpe.
A lire pour en savoir plus :
– L’article de Jérôme Kasparian, chercheur au CNRS sur le site Futura sciences.
– La technologie du laser Femtoseconde.

dans les télécommunications

La lumière laser, très directive et très cohérente, peut envoyer des informations sans se mélanger avec d’autres faisceaux sur de très grandes distances. On peut ainsi superposer dans la même fibre optique des signaux, ayant des longueurs d’ondes proches, que l’on séparera en sortie de fibre. La révolution du transfert d’informations s’est accompagnée d’un changement profond concernant le stockage des données… CD, DVD et Blu-ray se sont développés grâce à la technologie laser.Lle principe de la lecture laser d’un CD :
Un faisceau laser tombe sur la surface d’un disque en rotation : la lumière réfléchie par le disque est renvoyée grâce à un miroir sur un ensemble de cellules photoélectriques capables de récolter un faisceau de photons et de le transformer en signal électrique. Pour signifier les bits 1 et 0, on moule dans le plastique, à l’interface avec le film métallique, de petites cuvettes : le faisceau laser va ainsi passer de zones plates en haut des cuvettes à d’autres zones plates au fond des cuvettes.
Une présentation interactive est consultable sur le site du CEA.
De manière générale, c’est la taille du spot laser qui limite la capacité de stockage. Les rayons laser des platines CD sont des rayons infrarouges invisibles de longueur d’onde égale à 0.780 micromètre dans l’air ; La capacité de stockage est de 700 Mo. Dans le cas d’un DVD, le laser de lecture est de 635 nm ; Les possibilités de stockage augmentent donc pour une surface équivalente (4.7 Go). En 1996, Shuji Nakumura a découvert un semi-conducteur dans le bleu d’une longueur d’onde de 405 nm, qui a permis le développement du support Blu-ray, offrant une capacité de stockage 5 fois supérieure au DVD (27 Go).Pour en savoir plus :

• Comment ça marche ? CD, CD audio et CD-Rom
• Un rayon bleu pour des disques plus denses
• Le laser sert aussi dans les imprimantes (voir la réponse du guichet du savoir), les scannettes à code-barre des supermarchés, etc.

en médecine

Bien voir sans lunettes, la génération laser ,de Yves Bokobza, éd. Auzou.
Dans le domaine de l’ophtalmologie, l’emploi du laser est désormais devenu banal. L’emploi du Lasik permet de modifier la courbure de la cornée qui se comporte comme « une lentille optique afin de la rendre plus plate et donc moins puissante, chez le myope ; plus cambrée et donc plus puissante, chez l’hypermétrope ; et plus sphérique chez l’astigmate, alors que l’astigmatisme est défini par des inégalités de courbure cornéenne ». Cette technique permet un traitement précis et des suites opératoires relativement légères (cicatrisation en quelques jours sans points de sutures).Le laser a également des applications dermatologiques courantes : traitement d’angiomes et de couperose, de l’acné, suppression des tatouages.
Enfin l’effet thermique du laser est aujourd’hui proposé comme traitement alternatif pour certains cancers du cerveau. A l’aide d’IRM, la tumeur peut être précisément localisée puis nécrosée par laser. Pour un témoignage sensible lire La parenthèse, Elodie Durand, éd. Delcourt.

3. Des Lasers hors-normes

Que la Force soit avec toi… ou le mythe du sabre-laser

Faire de la science avec Star Wars, Roland Lehoucq , éd. Le Pommier.
Nous avons tous en mémoire les images de Star wars et des jedis combattants à l’aide de leur sabre-laser, leur sifflement caractéristique, quand ils sont mis en action et qu’ils fendent l’air…
Malheureusement, ces armes appartiennent à la science fiction et non au futur, comme l’explique Marion Montaigne de façon humoristique dans son blog Tu mourras moins bête. Les jedis ne peuvent pas utiliser le laser comme arme, en raison de ses propriétés mêmes :
Dans Star Wars, l’arme des jedis à la taille d’une épée. Or le laser se propage en ligne droite sans limite, tant qu’il ne rencontre pas d’obstacle… Un combat de laser risque donc d’entraîner des dommages collatéraux fâcheux, comme le découpage du vaisseau spatial à chaque mouvement du sabre.
Une lame laser reste un faisceau de lumière… Elle n’offre pas de résistance quand elle croise un autre faisceau laser. on ne peut donc pas faire s’entrechoquer les lasers comme des épées.
Le laser est très gourmand en énergie et demanderait de pouvoir transporter une réserve d’énergie (peu maniable) pour l’alimenter (mais il est vrai que la Force est avec les jedis…)
L’arme des jedis s’apparente plutôt à un plasma. La confusion avec le LASER serait due à une mauvaise traduction de l’anglais light saber qui signifie plus simplement “sabre de lumière”.Pour en savoir plus : consulter l’intervention de Roland Lehoucq sur France Inter : Les sabres laser de Star Wars sont-ils possibles ? et sa conférence Faire de la physique avec Star Wars

Des lasers ultra-brefs et ultra-puissants : LIDAR, téramobile et mégajoule

Néanmoins d’autres lasers aux propriétés étonnantes sont bien réels. Ils émettent des impulsions de plus en plus brèves et de plus en plus puissantes au service des découvertes du futur…

Le LIDAR

Le LIDAR (Light Détection And Ranging)
est l’équivalent du RADAR dans le domaine optique. Son principe consiste à émettre une impulsion laser vers la zone d’intérêt puis à collecter et analyser la rétrodiffusion du faisceau par les molécules et les particules rencontrées dans l’atmosphère. L’intensité du signal informe sur la densité de particules et le retard par rapport à l’émission, la localisation (de quelques dizaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres). Ce laser est ainsi utilisé pour analyser la pollution atmosphérique.Pour en savoir plus :

• voir l’article de Patrick Chazette, La pollution atmosphérique particulaire sous la surveillance du lidar
• Le LIDAR a récemment servi à étudier le panache de cendres qui s’échappait du volcan islandais Eyjafjöll

Le laser Teramobile, futur monsieur météo

Le laser téramobile, fruit d’une collaboration entre le CNRS et deux laboratoires allemand, s’appuie sur la technologie LIDAR en la poussant encore plus loin :
Son spectre n’est pas monochromatique mais s’étale de l’ultra-violet à l’infra-rouge, il offre ainsi la possibilité de détecter de nombreux composés de manière simultanée.
Sa puissance crée également un phénomène d’ionisation des molécules d’air, produisant ainsi un arc électrique au passage du laser.
Les scientifiques cherchent à utiliser ce laser, non pour récupérer l’énergie des éclairs mais au contraire pour servir de paratonnerre pour certains lieux sensibles (les aéroports par exemple).
Les tests sur le terrain n’ont pas encore abouti, mais la construction d’un Téramobile II encore plus puissant fait espérer des applications météorologiques majeures. En provoquant une condensation accrue, le teramobile II pourrait faire pleuvoir localement et, en alourdissant l’air (du fait de la condensation accrue), ralentir les vents…

Le laser mégajoule

Attendu pour 2014, le Laser Mégajoule, développé par le Centre à l’Energie Atomique, doit permettre d’étudier en laboratoire, à l’échelle microscopique, les propriétés de la matière portée à des températures et des densités extrêmement élevées et de recréer, en particulier, les conditions pour réaliser la fusion thermonucléaire de l’hydrogène.
Le laser mégajoule sera composé de 240 faisceaux lasers regroupés en 30 chaînes de 8 faisceaux. Ces faisceaux seront amplifiés dans 4 “halls lasers”, la cible sera située à l’intersection de ces halls. L’énergie finale de ces lasers sera de 10 000 joules dans l’ultra-violet.
Ce procédé est aujourd’hui critiqué en raison de son caractère militaire ; un des objectifs de ce laser est en effet de recréer les conditions de simulations pour les armes nucléaires (les tests réels ayant été arrêtés).

50 ans et après ?

Pour en savoir plus sur les 50 ans du LASER :
Les manifestations prévues par le CNRS et le comité d’organisation des 50 ans du LASER.
Une série de conférences disponibles en ligne sur le laser proposé par l’ENS de Lyon.Les dernières innovations LASER :
La révolution LASER,un dossier très complet du journal du CNRS, avril 2010, p. 18-27.
Les atomes froids, Erwan Jahier, EDP sciences, 2010. Ainsi qu’un dossier du laboratoire Kastler Brossel.
On sait faire des atomes creux avec un LASER
Un futur LASER rendra possible une fusion contrôlée par confinement inertiel : article de Pour la science, juin 2010

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