Sciences · Physique
Le laser
Un laser est une source qui amplifie la lumière par émission stimulée. Il produit un faisceau d’une seule couleur, très étroit et cohérent, capable de transporter de l’énergie avec une grande précision.
Mis à jour le 4 min de lecture
Lecteur de code-barres, fibre optique, chirurgie des yeux, découpe de métal, télémètre, imprimante, spectacle son et lumière : le laser est partout depuis sa première démonstration en 1960. Il ne produit pas une lumière « plus forte » qu’une lampe, mais une lumière ordonnée, ce qui lui donne des propriétés uniques.
Les quatre propriétés de la lumière laser
| Propriété | Ce que cela signifie | Conséquence |
|---|---|---|
| Monochromatique | une seule longueur d’onde, donc une seule couleur très pure | spectroscopie, télécommunications, mesures précises |
| Cohérente | toutes les ondes oscillent en phase | interférences, holographie, mesures de distance au nanomètre |
| Directive | faisceau très peu divergent | pointeurs, télémétrie, guidage |
| Concentrée | énergie focalisable sur une surface minuscule | découpe, soudure, chirurgie |
Une ampoule émet au contraire dans toutes les directions, sur un large éventail de longueurs d’onde et sans relation de phase entre les ondes.
Comment fonctionne un laser ?
L’émission stimulée
Un atome peut absorber un photon et passer dans un état d’énergie plus élevé (état excité). Il revient ensuite à son état fondamental en émettant un photon, en général spontanément et dans une direction quelconque. Mais en 1917, Albert Einstein montre qu’un photon qui passe près d’un atome excité peut le stimuler à émettre un second photon identique : même longueur d’onde, même direction, même phase. Un photon en devient deux, puis quatre : la lumière est amplifiée.
Les trois éléments d’un laser
- Le milieu amplificateur (ou milieu actif) : gaz, cristal, verre dopé, semi-conducteur, colorant. C’est lui qui émet la lumière et fixe sa longueur d’onde.
- Le pompage : apport d’énergie (lampe flash, décharge électrique, courant, autre laser) qui place une majorité d’atomes dans l’état excité. Cette inversion de population est indispensable : sinon les atomes absorbent plus de photons qu’ils n’en émettent.
- La cavité résonante : deux miroirs face à face, dont l’un est partiellement transparent. La lumière fait des allers-retours et s’amplifie à chaque passage ; une fraction sort par le miroir semi-réfléchissant et forme le faisceau.
Une histoire en dates
| Date | Étape |
|---|---|
| 1917 | Einstein décrit l’émission stimulée |
| 1954 | Charles Townes et ses collègues construisent le maser, son équivalent pour les micro-ondes |
| 1958 | Arthur Schawlow et Charles Townes publient le principe du laser optique |
| 16 mai 1960 | Theodore Maiman fait fonctionner le premier laser, à rubis, aux laboratoires Hughes (Californie) |
| 1960-1962 | premiers lasers à gaz (hélium-néon) et à semi-conducteur |
| 1964 | prix Nobel de physique à Townes, Bassov et Prokhorov pour les fondements du maser et du laser |
| 1969 | des réflecteurs sont déposés sur la Lune par Apollo 11 pour mesurer sa distance au laser |
| 1982 | le disque compact (CD) est commercialisé |
| 2018 | prix Nobel de physique à Arthur Ashkin, Gérard Mourou et Donna Strickland (pinces optiques, impulsions ultra-intenses) |
À ses débuts, le laser fut surnommé « une solution en quête d’un problème » : on n’imaginait pas encore ses usages.
Les principaux types
| Type | Exemple | Longueur d’onde | Usage |
|---|---|---|---|
| À gaz | hélium-néon | 632,8 nm (rouge) | alignement, enseignement |
| À gaz | CO₂ | 10,6 µm (infrarouge) | découpe, gravure, chirurgie |
| À solide | Nd:YAG | 1 064 nm (infrarouge) | industrie, médecine, esthétique |
| À semi-conducteur (diode) | diodes de lecteurs optiques | 780 nm (CD), 650 nm (DVD), 405 nm (Blu-ray) | lecture optique, pointeurs, télécoms |
| À fibre | fibre dopée à l’ytterbium | autour de 1 µm | découpe et soudure industrielles |
| Excimère | ArF | 193 nm (ultraviolet) | chirurgie réfractive de l’œil, gravure des puces électroniques |
Plus la longueur d’onde est courte, plus le faisceau peut être focalisé finement : c’est pourquoi le disque Blu-ray, lu au laser violet, stocke bien plus de données qu’un CD.
Les applications
- Télécommunications : les fibres optiques transportent des signaux laser infrarouges, autour de 1,55 µm, sur des milliers de kilomètres.
- Médecine : chirurgie réfractive de l’œil (correction de la myopie), photocoagulation de la rétine, dermatologie, chirurgie dentaire.
- Industrie : découpe, soudure, marquage, impression 3D métallique, gravure des circuits intégrés.
- Mesure : télémètres, lidar, niveaux de chantier, distance Terre-Lune mesurée au centimètre près, détection des ondes gravitationnelles (interféromètres LIGO et Virgo).
- Recherche : refroidissement d’atomes près du zéro absolu, fusion nucléaire par confinement inertiel, horloges optiques.
- Vie courante : lecteurs de codes-barres, imprimantes laser, souris optiques, spectacles.
Les dangers
L’œil focalise le faisceau sur la rétine : même un laser de faible puissance peut provoquer des lésions définitives. Les lasers sont classés selon leur dangerosité.
| Classe | Risque |
|---|---|
| 1 | sans danger en usage normal (lecteurs de disques) |
| 2 | faible puissance visible ; le réflexe de clignement protège en général |
| 3R | risque limité, ne pas regarder le faisceau |
| 3B | dangereux pour l’œil en vision directe |
| 4 | dangereux pour l’œil et la peau, même par réflexion diffuse ; risque d’incendie |
Questions fréquentes
Que veut dire le mot laser ?
C’est l’acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ».
Qui a inventé le laser ?
Le principe repose sur l’émission stimulée décrite par Einstein en 1917 ; Schawlow et Townes en publient le schéma en 1958, et Theodore Maiman réalise le premier laser en état de marche le 16 mai 1960.
Pourquoi voit-on parfois le faisceau d’un laser ?
On ne voit le faisceau que si des particules (poussière, fumée, brouillard) diffusent une partie de sa lumière vers l’œil. Dans un air parfaitement pur, on ne voit que le point d’impact.
Un laser peut-il traverser un miroir ?
Un miroir ordinaire le réfléchit ; un laser puissant peut néanmoins l’endommager. Les miroirs des cavités laser sont spécialement traités pour réfléchir une longueur d’onde précise.