Laser La petite histoire Comprendre simplement Domaines de présence Son interprétation dans l'avenir Les références Mais encore …

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© Laser 1: émission spontanée (cas des sources ordinaires); 2: émission stimulée (principe du laser).

La petite histoire  Up Page Origine, raisons, hasard Richard Gordon Gould (Né à New York 1920) est étudiant en physique à l’université de Columbia lorsqu’en 1957 (très précisément durant la nuit du samedi 9 novembre), il a l’idée de ce qui deviendra le laser.   La liste des applications techniques est vraiment infinie, même avant que nous n’y ajoutions les applications des masers pour l’amplification des signaux faibles (satellites de communication), des radars et autres. Toutes ces applications ne trouvent pas leur origine dans la théorie quantique à proprement parler, mais dans la première version de la physique quantique. C’est donc à Albert Einstein et à Niels Bohr, qui posèrent les principes de l’émission stimulée, que nous devons adresser nos remerciements pour la caisse enregistreuse à laser, les éclairages au laser, ou la magie d’une reproduction holographique. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission  of Radiation: amplification de la lumière par émission stimulée). Dans une source laser, les ondes sont émises suivant une direction, sont mises en phase par un système de miroirs et ont des spectres très étroits. [Les spectres d’émission des diodes de couleur sont représentés par des axes horizontaux gradués en nanomètres (nm) et des axes verticaux gradués en intensité lumineuse relative. (Le niveau de référence est le maximum d’intensité obtenu avec la diode).]. Il en résulte qu’un faisceau laser est très étroit (pratiquement cylindrique), monochromatique (une seule couleur), qu’il peut transporter une énergie par unité de volume considérable par rapport à une source classique (d’où son utilisation en soudage ponctuel, en chirurgie, en découpage et télémétrie). L’effet laser peut avoir lieu dans les solides (rubis, semi-conducteurs), dans les liquides et dans les gaz (gaz carbonique, mélange hélium-néon).   Chercheurs Septembre 1999, des chercheurs de l'Air Force ont récemment terminé avec succès une expérience de trois mois sur les lasers à l'entrepôt de missiles de White Sands, Nouveau-Mexique. L'expérience a démontré comment un système de contrôle du rayon peut envoyer un rayon laser via une longue trajectoire, pratiquement horizontale, sur une cible mouvante. Le système a également corrigé l'effet de distorsion dû à des turbulences optiques à travers l'atmosphère. Si elles ne sont pas contrôlées, ces turbulences peuvent limiter la portée et l'efficacité d'un laser. Les entreprises intervenant dans ce projet sont la compagnie des sciences optiques d'Anaheim, Californie ; les bureaux d'ingénierie Dynacs et la corporation des recherches de missions d'Albuquerque (Nouveau-Mexique) ; ainsi que les associés MZA d'Albuquerque, Nouveau-Mexique.

Comprendre simplement  Up Page Principe du laser L’atome comporte un certain nombre d’électrons qui "gravitent" autour du noyau selon des orbites bien déterminées. Chaque électron  est principalement en équilibre entre deux forces: _une force d’attraction qui tend à le faire se rapprocher du noyau _une force centrifuge provoquée par son mouvement A chaque orbite correspond un niveau d’énergie mécanique différent. Plus l’orbite est proche du noyau, plus son niveau d’énergie est important.   Lorsqu’un électron change d’orbite, l’atome change de niveau d’énergie. Nous nous trouvons en présence de trois cas: _l’absorption Un ensemble photon+électron peut provoquer une augmentation d’énergie de l’atome. Exemple d’application: la photo pile (transformation lumière en courant). _l’émission spontanée Lorsque l’atome descend d’un niveau d’énergie, il émet spontanément un photon, lequel emporte l’énergie excédentaire. La longueur d’onde du photon dépend du matériau utilisé. Exemple d’application: la diode LED. L’apport d’énergie se fait par courant électrique. L’électron monte au niveau d’énergie supérieur. En redescendant, il émet un photon. _émission induite ou stimulée   Imaginons un matériau dans lequel de nombreux atomes sont excités. Lors d’une émission spontanée, un photon excite et chaîne d’autres atomes, lesquels émettent d’autres photons, nous nous trouvons en présence de lumière induite. Les photons de l’onde émise ont la même polarisation, fréquence et phase, que les photons de l’onde incidente.   Effet du laser Dans le cas de l’émission induite ou stimulée par réflexions successives entre deux miroirs (cavité résonnante) on augmente le nombre de collisions jusqu’à obtenir un nombre très important de photons ayant même direction et même phase. Cette lumière est alors cohérente.

Domaines de présence  Up Page Rayonnement cohérent Quand un atome gagne un quantum d’énergie, un électron saute dans une orbite différente, et que quand cet atome excité est ensuite livré à lui-même, tôt ou tard l’électron retombe à l’état fondamental, libérant un quantum de rayonnement très précisément défini et doté d’une longueur d’onde précise. On nomme ce processus émission spontanée et il représente la contrepartie de l’absorption. Einstein imagina, en 1916, qu’il était possible d’amener un atome excité à libérer son énergie excédentaire et à réadopter son état fondamental si un photon incident l’y aide en quelque sorte. On qualifie ce processus d’émission stimulée, et il n’intervient que si le photon incident a exactement la même longueur d’onde que celui que l’atome s’apprête à émettre. Du fait de la manière dont l’émission est déclenchée, toutes les ondes se déplacent en phase les unes par rapport aux autres _toutes les vagues montent et descendent ensemble, produisant un faisceau très pur de ce qu’on nomme le rayonnement cohérent. Attendu que ni les crêtes ni les creux dans un tel rayonnement ne s’annihilent, la totalité de l’énergie libérée par les atomes est présente dans le faisceau et peut être transmises à une zone restreinte du matériel sur lequel le faisceau est dirigé. Les techniques furent tout d’abord développées à la fin des années quarante, indépendamment par des équipes américaines et soviétiques, en utilisant le rayonnement dans la bande radio du spectre (1 à 30cm), qu’on nomme bande micro-onde. Le rayonnement de cette bande étant dit radiation micro-ondes par émission stimulée de radiation en accord avec les idées d’Einstein de 1917, les pionniers baptisèrent le processus amplification de micro-ondes par émission stimulée de rayonnement et forgèrent l’acronyme MASER, d’après les initiales des mots anglais. C’était dix ans avant qu’on découvre un moyen d’appliquer ce processus aux fréquences optiques du rayonnement, et en 1957 deux personnes eurent la même idée. L’un se nommait Gordon Gould, l’autre était Charles Townes. Tous les lasers partagent les mêmes caractéristiques fondamentales _l’introduction d’une énergie incohérente nous permet d’obtenir une lumière cohérente sous forme d’impulsion pure, porteuse d’impulsion pure, porteuse d’une énergie considérable.

Son interprétation dans l'avenir  Up Page Sel de table Concevoir un laser avec du sel de table ? C'est parfaitement possible, d'après les calculs d'Evan Reed, physicien du Laboratoire national Lawrence Livermore (Etats-Unis). Selon lui, la propagation d'une onde de choc dans un cristal de NaCl engendre une lumière cohérente, de fréquence stable en fonction du temps, c'est-à-dire un laser ! Si l'émission électromagnétique résultant du mouvement syncrhonisé d'un grand nombre d'atomes du cristal induit par la propagation du choc n'est pas surprenante en elle-même, sa nature cohérente était plus qu'inattendue. L'agencement périodique des atomes dans le réseau cristallin en serait la raison première. Selon les simulations numériques - la démonstration expérimentale est en cours - cette lumière serait émise dans la gamme de fréquence de 1 à 100 THz, et pourrait permettre le développement de nouvelles techniques d'imagerie médicale. Ce serait la première fois depuis cinquante ans que l'on invente un nouveau type de laser.

Les références  Up Page Réseau Pepe BE Canada BE Japon Chat de Schrödinger John Gribbin Science & Vie avril 2006 n°1063   Pourquoi ce site Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.   Contribuer au Réseau Pepe Ce site est avant tout une encyclopédie ouverte à l'imagination et au savoir, où chacun(e) d'entre vous peut participer. Si vous avez envie de partager une passion, ou si vous sentez le besoin de vous exprimer sur un point précis, je vous invite à m'adresser un e-mail (adresse électronique accessible sur ma page d'accueil).

Mais encore …  Up Page Laser bleu Les dispositifs électroniques comportant des diodes laser bleues, dont les disques optiques HD-DVD et Blue-Ray, font partie des nouvelles formes de stockage optique à haute densité. Puisque la lumière bleue a une longueur d'onde plus courte que la lumière rouge, les dispositifs à laser bleu peuvent lire et écrire des données sur de plus petites échelles, et autorisent ainsi des densités d'enregistrement de données plus élevées. Cependant, les composants semi-conducteurs capables d'émettre de la lumière bleue sont plus difficiles à fabriquer que les diodes laser rouges classiques, et la demande en diodes laser bleues est en train de dépasser l'offre. Les chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) ont annonce, vers les années 2007, avoir développé un nouveau type de laser bleu, grâce à l'utilisation de nitrure de gallium (GaN) non-polaire. Selon Shuji Nakamura, un des chercheurs travaillant sur ce projet, "les résultats indiquent une probabilité élevée pour que les diodes laser violettes actuelles, utilisées entre autres dans les HD-DVD et Blu-Ray, obtenues à l'aide de GaN à 'plan c', soient bientôt remplacées par des diodes laser violettes non-polaires, qui ont une puissance de fonctionnement plus basse et une durée de vie plus longue."   Format HVD   Femto laser L'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) dispose, depuis juin 2008, des systèmes laser parmi les plus perfectionnés de la planète. A partir de cristaux de titane-saphir les scientifiques du laboratoire de Varennes, près de Montréal, produisent des impulsions laser d'une durée, d'une puissance et d'un taux de répétition inégales. Le laser atteint en effet une puissance de 200 terawatts et chacune de ses dix pulsions emises chaque seconde dure 20 femtosecondes (1015 seconde). "C'est actuellement l'énergie la plus importante que l'on ai pu produire pour une impulsion aussi courte à raison de dix flashs de lumière par seconde" souligne Jean-Claude Kieffer, directeur du Centre Enérgie Matériaux Télécommunications de l'INRS à Varennes.