Lumière laser

Lumière bleue, verte ou rouge

La lumière naturelle ou artificielle (lumière du jour, lampe à incandescence, LED, etc.) est une lumière composée d'une superposition de toutes les couleurs, c'est-à-dire une onde électromagnétique chaotique qui se propage dans toutes les directions. Ce n'est pas une vague avec une longueur régulière et cohérente mais plutôt un clapotis désordonné à la surface de l'eau.
La lumière laser (Light Amplification Stimulated Emission of Radiation) est une lumière naturelle épluchée de toutes les couleurs sauf une.
Bien qu'il soit possible de fabriquer des lasers de plusieurs couleurs et allant dans plusieurs directions à la fois le laser le plus répandu et le plus efficace est le laser monochrome et unidirectionnel. La lumière laser est soit bleue, soit verte, soit rouge, c'est-à-dire composée d'une seule couleur (couleur primaire), toutes les autres couleurs sont des mélanges de couleurs (couleurs secondaires). Ex: une carotte absorbe le bleu, sa couleur est donc un mélange subtil de toutes les couleurs sauf le bleu.
C'est la durée du cycle optique (période et fréquence) qui détermine la couleur du rayonnement laser.
La lumière laser est ordonnée et peut se propager en ligne droite sans déformation sur de très grandes distances à condition qu'elle soit amplifiée. L'image que l'on peut retenir d'une lumière laser par rapport à une lumière naturelle est celle d'un régiment qui marche au pas contrairement à une foule qui se meut de façon désordonnée.

La lumière stimulée est une amplification obtenue par l'émission de deux photons à partir de l'énergie d'un seul photon. Ainsi la lumière laser va être stimulée de manière à être facilement manipulable. Grâce à des miroirs on peut la propager là où l'on veut, aussi loin que l'on veut, et augmenter la puissance comme on veut. Les exemples remarquables sont les étoiles guide laser utilisées pour régler les observations astronomiques ou le laser mégajoule le plus puissant du monde, pour tester le fusion nucléaire.

Image : La lumière laser, décrite dès 1917 par Albert Einstein (1879-1955), est bleue, verte ou rouge, c'est-à-dire composée d'une seule couleur, toutes les autres couleurs étant des mélanges subtils de couleurs.
En 1960, le physicien américain Théodore Maiman (1927-2007) obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis.

Image : Durées des cycles, de la nanoseconde à la zeptoseconde ou des ondes radio aux rayons X.

Utilisations de la lumière laser

La lumière laser ne sert pas qu'à la décoration des salles de spectacle.
Les utilisations du laser sont nombreuses, elles sont même la marque de notre temps. Elles vont de la diode à très faible puissance (0.000001 watt) présente dans les lecteurs optiques jusqu'au laser mégajoule (10¹⁵ watts) conçu pour expérimenter la fusion nucléaire contrôlée.
En effet, la lumière laser a envahi notre quotidien. On la trouve dans les supermarchés (lecture des codes barre), dans l'informatique (lecture de DVD, Blu-ray, imprimante laser), dans le transport d'information (fibre optique), dans les mesures de précision en physique (distance Terre/Lune, photographie des atomes), dans l'industrie (télémètre laser, radar, découpe laser, soudure, gravure), dans la médecine (chirurgie des yeux, dermatologie, bistouri laser), dans la défense (simulation de l'arme nucléaire), dans la recherche (fusion contrôlée du plasma), dans l'astronomie (télémétrie laser sur satellites, optique adaptative avec l'étoile guide laser).
On produit aussi des lasers invisibles cohérents à partir des microondes (maser) utilisés notamment en interférométrie, en métrologie et dans les horloges atomiques.
Afin d'augmenter la puissance, on produit aussi des lasers pulsés. Les lasers pulsés émettent de la lumière de façon intermittente. Ils sont utilisés pour observer des phénomènes physiques qui se déplacent très rapidement. En effet, lorsque l'on pulse un flash de lumière ultra-bref, on peut capturer une image ultra-brève d'un objet ultra-rapide. On utilise le laser femtoseconde comme un stroboscope, afin de prendre des clichés photographiques avec un temps d'exposition extrêmement court. Pour cela il faut éclairer très intensément.
L'avantage que l'on a avec le laser est que l'on peut concentrer la lumière et augmenter sa puissance sur une durée extrêmement brève, plus la durée est courte plus la puissance est élevée.

En une attoseconde (10^-18 seconde), la lumière parcoure le diamètre d'un atome alors qu'en une seconde elle parcoure la distance Terre/Lune. Cette durée ultra-courte est adaptée aux mouvements des molécules de la matière et même aux mouvements des électrons dans les atomes. Avec le laser femtoseconde, on peut atteindre des puissances crêtes élevées (jusqu'à 100 joules par impulsion) comme dans les gros systèmes pétawatt. Diverses applications utilisent toutes ou parties de ces propriétés uniques de la lumière (recherche, industrie, domaine biomédical). A partir du laser attoseconde on peut photographier les nuages électroniques autour leurs noyaux atomiques. En façonnant des impulsions lumineuses à la fois ultra-intenses et ultra-courtes on peut s'immiscer au cœur de la matière.

Relation entre la puissance et la durée du flash des lasers pulsés : si on concentre 1 joule en 1 seconde on obtient 1 Watt, 1 J en 1 ms on obtient 1 kilowatt, etc.

Image : Découpe Laser

Image : Nuage électronique prise au laser attoseconde. On voit ici la structure caractéristique de l'orbitale de la molécule d'azote N2. La première image est l'image calculée, la deuxième est l'image reconstruite expérimentalement et la troisième image est reconstruite théoriquement.