Le terme « laser » désigne le procédé et l'instrument permettant de générer des faisceaux lumineux collimatés, monochromatiques et cohérents grâce à l'amplification du rayonnement stimulé et à la rétroaction nécessaire. La génération laser nécessite essentiellement trois éléments : un « résonateur », un « milieu amplificateur » et une « source de pompage ».
A. Principe
L'état de mouvement d'un atome peut être divisé en différents niveaux d'énergie. Lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie faible, il libère des photons d'énergie correspondante (ce que l'on appelle le rayonnement spontané). De même, lorsqu'un photon est incident sur un système de niveaux d'énergie et absorbé par celui-ci, il provoque la transition de l'atome d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé (ce que l'on appelle l'absorption excitée). Ensuite, certains atomes passant à des niveaux d'énergie plus élevés passent à des niveaux d'énergie plus faibles et émettent des photons (ce que l'on appelle le rayonnement stimulé). Ces mouvements ne se produisent pas isolément, mais souvent en parallèle. Lorsque nous créons des conditions, comme l'utilisation d'un milieu approprié, d'un résonateur ou d'un champ électrique externe suffisant, le rayonnement stimulé est amplifié de sorte qu'une quantité supérieure à l'absorption stimulée entraîne généralement l'émission de photons, produisant ainsi une lumière laser.
B. Classification
Selon le milieu utilisé, le laser peut être divisé en laser liquide, laser à gaz et laser solide. Le laser à semi-conducteur le plus courant est le laser à solide.
C. Composition
La plupart des lasers sont composés de trois éléments : un système d'excitation, un matériau laser et un résonateur optique. Les systèmes d'excitation sont des dispositifs produisant de la lumière, de l'électricité ou de l'énergie chimique. Actuellement, les principaux moyens d'excitation utilisés sont la lumière, l'électricité ou une réaction chimique. Les substances laser sont celles qui peuvent produire de la lumière laser, comme le rubis, le verre au béryllium, le gaz néon, les semi-conducteurs, les colorants organiques, etc. Le contrôle de la résonance optique permet d'améliorer la luminosité du laser de sortie, ainsi que d'ajuster et de sélectionner la longueur d'onde et la direction du laser.
D. Application
Le laser est largement utilisé, principalement dans la communication par fibre, la télémétrie laser, la découpe laser, les armes laser, le disque laser, etc.
E. Histoire
En 1958, les scientifiques américains Xiaoluo et Townes ont découvert un phénomène magique : lorsqu'ils appliquaient la lumière émise par une ampoule interne sur un cristal de terre rare, les molécules du cristal émettaient une lumière intense, toujours concentrée. D'après ce phénomène, ils ont proposé le « principe du laser », selon lequel, lorsqu'une substance est excitée par la même énergie que la fréquence d'oscillation naturelle de ses molécules, elle produit une lumière intense et constante : le laser. Ils ont publié des articles importants à ce sujet.
Après la publication des résultats des recherches de Sciolo et Townes, des scientifiques de divers pays proposèrent divers schémas expérimentaux, sans succès. Le 15 mai 1960, Mayman, chercheur au laboratoire Hughes en Californie, annonça avoir obtenu un laser d'une longueur d'onde de 0,6943 micron, le premier laser jamais obtenu par l'homme. Mayman devint ainsi le premier scientifique au monde à introduire les lasers dans le domaine pratique.
Le 7 juillet 1960, Mayman annonce la naissance du premier laser au monde. Le projet de Mayman consiste à utiliser un tube flash à haute intensité pour stimuler les atomes de chrome dans un cristal de rubis, produisant ainsi une colonne de lumière rouge très concentrée et fine, lorsqu'elle est tirée à un certain point, elle peut atteindre une température supérieure à la surface du soleil.
Le scientifique soviétique H.G. Basov a inventé le laser à semi-conducteur en 1960. La structure d'un laser à semi-conducteur est généralement composée d'une couche P, d'une couche N et d'une couche active formant une double hétérojonction. Ses caractéristiques sont : petite taille, haut rendement de couplage, temps de réponse rapide, longueur d'onde et taille adaptées à la taille de la fibre optique, modulation directe et bonne cohérence.
Sixièmement, quelques-unes des principales directions d'application du laser
F. Communication laser
L'utilisation de la lumière pour transmettre des informations est aujourd'hui très courante. Par exemple, les navires utilisent des lumières pour communiquer, et les feux de circulation utilisent le rouge, l'orange et le vert. Cependant, tous ces modes de transmission d'informations par la lumière ordinaire ne peuvent être limités qu'aux courtes distances. Pour transmettre des informations directement à des endroits éloignés par la lumière, il est préférable d'utiliser des lasers plutôt que la lumière ordinaire.
Comment le laser est-il transporté ? On sait que l'électricité peut être transportée par des fils de cuivre, mais pas la lumière par des fils métalliques ordinaires. À cette fin, les scientifiques ont développé un filament capable de transmettre la lumière, appelé fibre optique. La fibre optique est constituée de verre spécial, d'un diamètre plus fin qu'un cheveu humain, généralement de 50 à 150 microns, et très souple.
En fait, le cœur de la fibre est constitué d'un verre optique transparent à indice de réfraction élevé, tandis que le revêtement extérieur est en verre ou en plastique à faible indice de réfraction. Cette structure permet, d'une part, de réfracter la lumière le long du cœur, comme l'eau qui coule dans une conduite d'eau et de transmettre l'électricité dans le fil, même si des milliers de torsions restent sans effet. D'autre part, le revêtement à faible indice de réfraction empêche la lumière de s'échapper, tout comme la conduite d'eau ne s'infiltre pas et la couche isolante du fil n'est pas conductrice d'électricité.
L'apparition de la fibre optique a permis de résoudre de nombreux problèmes de transmission de la lumière, mais elle ne garantit pas la transmission de n'importe quelle lumière à très grande distance. Seul un laser haute luminosité, aux couleurs pures et à la bonne direction constitue la source lumineuse idéale pour transmettre des informations. L'entrée se fait à une extrémité de la fibre, avec une perte quasi nulle, et la sortie se fait à l'autre extrémité. Par conséquent, la communication optique est essentiellement une communication laser, qui présente les avantages suivants : grande capacité, haute qualité, large choix de matériaux, confidentialité élevée, durabilité, etc. Elle est saluée par les scientifiques comme une révolution dans le domaine des communications et l'une des avancées technologiques les plus marquantes.
Date de publication : 29 juin 2023