Lumière Laser

Description de l'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. Source image : Astronoo IA.

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.

Lumière stimulée

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.

N.B. : Selon les équations de James Clerk Maxwell (1831-1879), la lumière est une onde transversale électromagnétique auto-propageante avec des composantes électriques et magnétiques où les champs électriques et magnétiques oscillent à angle droit les uns par rapport aux autres et se propagent perpendiculairement à la direction dans laquelle ils se déplacent indéfiniment à moins d'être absorbés par la matière intermédiaire. Autrement dit, chaque type de champ - électrique et magnétique - génère l'autre afin de propager l'ensemble de la structure composite dans l'espace vide à la vitesse finie de la lumière.

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 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.

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).

Nous produisons également des lasers invisibles cohérents à partir des micro-ondes (en dehors du spectre visible), connus sous le nom de masers. Ces dispositifs sont largement utilisés dans divers domaines avancés tels que l'interférométrie, la métrologie et les horloges atomiques. Les masers jouent un rôle crucial dans ces applications en raison de leur capacité à générer des ondes électromagnétiques extrêmement stables et précises, ce qui est essentiel pour des mesures de haute précision et des applications temporelles de pointe.

La puissance du laser

Pour augmenter la puissance, nous produisons également des lasers pulsés.

Ces lasers émettent de la lumière de manière intermittente, ce qui permet d'observer des phénomènes physiques extrêmement rapides. En émettant des flashs de lumière ultra-brefs, il est possible de capturer des images ultra-brèves d'objets en mouvement rapide. Le laser femtoseconde, par exemple, fonctionne comme un stroboscope, permettant de prendre des clichés photographiques avec un temps d'exposition extrêmement court. Pour cela, il est nécessaire d'éclairer très intensément.

L'avantage des lasers pulsés réside dans leur capacité à concentrer la lumière et à augmenter sa puissance sur une durée extrêmement brève. Plus la durée du flash 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.

Nuage électronique pris au laser attoseconde

Dans cette séquence d'images, on aperçoit 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.

Relation entre la puissance et la durée du flash laser

Relation entre la puissance et la durée du flash des lasers pulsés.

E=Pt ou Puissance = \(\frac{\text{Énergie}}{\text{Temps}}\)

Si on concentre 1 joule en 1 seconde, on obtient 1 Watt, 1 J en 1 ms, on obtient 1 kilowatt, 1 J en 1 µs, on obtient 1 megawatt, etc.