Le terme « laser » désigne le procédé et l'instrument permettant de générer des faisceaux lumineux collimatés, monochromatiques et cohérents par amplification du rayonnement stimulé et rétroaction nécessaire. La génération d'un laser requiert trois éléments : un résonateur, un milieu amplificateur et une source de pompage.
A. Principe
L'état de mouvement d'un atome peut être décomposé en différents niveaux d'énergie. Lorsqu'un atome passe d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie inférieur, il émet des photons d'énergie correspondante (rayonnement spontané). De même, lorsqu'un photon incident est absorbé par un système de niveaux d'énergie, l'atome passe d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie supérieur (absorption excitée). Certains atomes ayant atteint des niveaux d'énergie supérieurs peuvent alors retourner à des niveaux d'énergie inférieurs et émettre des photons (rayonnement stimulé). Ces mouvements ne sont pas isolés, mais souvent simultanés. En créant des conditions appropriées, telles qu'un milieu, un résonateur ou un champ électrique externe suffisant, le rayonnement stimulé est amplifié de sorte que le nombre de photons émis dépasse celui de l'absorption stimulée, produisant ainsi un faisceau laser.
B. Classification
Selon le milieu qui produit le faisceau laser, on distingue les lasers liquides, les lasers à gaz et les lasers solides. Actuellement, les lasers à semi-conducteurs les plus courants sont des lasers à l'état solide.
C. Composition
La plupart des lasers sont composés de trois parties : un système d'excitation, un matériau laser et un résonateur optique. Les systèmes d'excitation sont des dispositifs qui produisent de l'énergie lumineuse, électrique ou chimique. Actuellement, les principaux moyens d'excitation utilisés sont la lumière, l'électricité ou les réactions chimiques. Les matériaux laser sont des substances capables de produire de la lumière laser, comme le rubis, le verre au béryllium, le néon, les semi-conducteurs, les colorants organiques, etc. Le contrôle par résonance optique permet d'augmenter la luminosité du laser émis, ainsi que d'ajuster et de sélectionner sa longueur d'onde et sa direction.
D. Application
Le laser est largement utilisé, principalement dans les communications par fibre optique, la télémétrie laser, la découpe laser, les armes laser, les disques laser, etc.
E. Histoire
En 1958, les scientifiques américains Xiaoluo et Townes découvrirent un phénomène fascinant : lorsqu’ils éclairaient un cristal de terres rares avec la lumière d’une ampoule, les molécules de ce cristal émettaient une lumière intense et continue. À partir de ce phénomène, ils proposèrent le « principe du laser », selon lequel, lorsqu’une substance est excitée par une énergie correspondant à la fréquence d’oscillation naturelle de ses molécules, elle produit cette lumière intense et continue : le laser. Ils publièrent d’importantes études à ce sujet.
Après la publication des résultats de recherche de Sciolo et Townes, des scientifiques de différents pays proposèrent divers protocoles expérimentaux, mais 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 appliquer les lasers dans un domaine pratique.
Le 7 juillet 1960, Mayman annonça la naissance du premier laser au monde. Son invention consistait 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 mince qui, lorsqu'elle était déclenchée à un certain point, pouvait atteindre une température supérieure à celle de la surface du soleil.
Le scientifique soviétique H.G. Basov a inventé le laser à semi-conducteurs en 1960. La structure de ce laser est généralement composée d'une couche P, d'une couche N et d'une couche active formant une double hétérojonction. Ses caractéristiques sont les suivantes : taille réduite, rendement de couplage élevé, temps de réponse rapide, longueur d'onde et dimensions compatibles avec celles de la fibre optique, modulation directe possible et bonne cohérence.
Six, quelques-unes des principales applications 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 signaux lumineux pour communiquer, et les feux de circulation utilisent le rouge, le jaune et le vert. Cependant, toutes ces méthodes de transmission d'informations par la lumière ordinaire sont limitées à de courtes distances. Si l'on souhaite transmettre des informations directement vers des endroits éloignés par la lumière, il est impossible d'utiliser la lumière ordinaire ; seul le laser peut être utilisé.
Comment acheminer le faisceau laser ? On sait que l’électricité peut circuler dans les fils de cuivre, mais pas la lumière dans les fils métalliques ordinaires. C’est pourquoi les scientifiques ont mis au point un filament capable de transmettre la lumière : la fibre optique. Fabriquée à partir de matériaux en verre spéciaux, sa fibre optique a un diamètre inférieur à celui d’un cheveu (généralement de 50 à 150 microns) et est extrêmement souple.
En réalité, le cœur de la fibre est constitué de 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, que la lumière se réfracte le long du cœur, à l'instar de l'eau qui s'écoule dans une canalisation ; de même, l'électricité se propage dans un fil conducteur, même après des milliers de torsions. D'autre part, le revêtement à faible indice de réfraction empêche la lumière de s'échapper, tout comme une canalisation d'eau est étanche et la gaine isolante d'un fil conducteur est non conductrice.
L'apparition de la fibre optique a résolu le problème de la transmission de la lumière, mais cela ne signifie pas que toute lumière puisse être transmise sur de très longues distances. Seul un laser à haute luminosité, à couleur pure et à forte directivité constitue la source lumineuse idéale pour la transmission d'informations : injecté à une extrémité de la fibre, il ne subit quasiment aucune perte et est restitué à l'autre extrémité. Par conséquent, la communication optique est essentiellement une communication laser, qui présente de nombreux avantages : grande capacité, haute qualité, large choix de matériaux, forte confidentialité, durabilité, etc. Elle est considérée par les scientifiques comme une révolution dans le domaine des communications et représente l'une des réalisations les plus brillantes de la révolution technologique.
Date de publication : 29 juin 2023