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Laser est l'acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations). Il est le descendant du maser, acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation et s'est d'abord appelé maser optique.
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Le laser est un dispositif qui amplifie la lumière (et plus généralement tout rayonnement électromagnétique) et la fait converger en un étroit faisceau spatialement et temporellement cohérent. Ainsi la lumière laser est extrêmement directionnelle. De plus le rayonnement émis est d'une grande pureté puisqu'il ne contient qu'une longueur d'onde précise. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (masers) puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et on commence même à les appliquer aux rayons X.
La matière est formée d'atomes, eux-mêmes constitués d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour. Pour simplifier, les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergies ("couches") caractérisés par « un » nombre quantique n (nombre entier naturel supérieur ou égal à 1). Plus n est petit (proche de 1) et plus les électrons sont proches du noyau avec un niveau d'énergie faible. Du point de vue atomique, il existe trois types de réactions photoniques possibles : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée. Dans le premier cas, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et certains de ses électrons atteignent alors le niveau d'énergie supérieur; l'atome est alors dans un état dit excité. Le deuxième cas est la situation inverse. Un atome excité retombe spontanément à un état stable. Ses électrons qui avaient changé de niveau d'énergie reviennent à leur niveau initial (d'énergie plus faible) en émettant de la lumière (donc des photons). Enfin, dans le dernier cas, la présence de lumière lors de la désexcitation d'un atome provoque l'émission d'autres photons qui ont alors les mêmes caractéristiques (longueur d'onde et direction) que celui qui était présent au départ. Le principe du laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission induite de photons et enfin à accumuler le rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes, qui forment ce qu'on appelle une cavité résonante, avant de le relâcher sous forme de faisceau. Pour cela, un laser possède un réservoir d'électrons (ce réservoir peut être solide, liquide ou gazeux) associé à une source excitante qui « pompe » les électrons à de hauts niveaux d'énergies. Dans un second temps, de la lumière est injectée dans le milieu ce qui produit, à cause des électrons excités, une cascade de photons. Deux miroirs, dont l'un semi-réfléchissant, situés aux extrémités du laser se renvoient les photons émis, ainsi la lumière se densifie à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit libérée par le miroir partiellement transparent à l'extrémité du dispositif. Il faut savoir que l'émission d'un faisceau continu est plus difficile à obtenir que l'émission par impulsions.
Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. Mais ce n'est qu'en 1954 que le premier maser (maser au gaz ammoniac) est conçu par J.P. Gordon, H.J. Zeiger et Ch.H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N.G. Bassov, A.M. Prokhorov, A.L. Schawlow et Ch.H. Townes contibuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtint pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard Ali Javan mit au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin alias Peter Pan construisit le premier laser à liquide. Ironie de l'histoire, Townes, Bassov, Schawlow et Prokhorov reçurent un prix Nobel en 1964 pour leurs travaux en commun alors que Maiman, véritable inventeur du laser, ne reçut aucun prix.
Le laser resta un moment, une invention sans application pratique.
On classe les lasers selon cinq familles, en fonction de la nature du milieu excité.
Les lasers à solide utilisent des cristaux comme milieu d'émission des photons (le plus connu est le laser à rubis). Ce sont les lasers les plus puissants. Certains fonctionnent de manière implusionelle (impulsions de 12 femtosecondes). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible que dans l'Ultra Violet, l'Infra Rouge ou les rayons X. Exemple: Le laser Nd:Yag (Infra-rouge 1064 nm)
Dans les laser à liquide, le milieu d'émission est un colorant inorganique enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur ce qui rend ce type d'appareil très précis.
Le milieu générateur de photons est ici un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très pure. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium ou à néon qui sont utilisés dans les lecteurs de codes barres. À noter que les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances. Exemple: Le laser CO2 (Infra-rouge 10,6 µm), He-Ne (632,8 nm, Rouge)
Les lasers à semi-conducteurs utilisent principalement des diodes afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous et en électrons. Le faisceau est produit par la recombinaison des trous et des électrons. Ce sont les lasers les plus petits, c'est pour cela qu'ils sont utilisés pour les imprimantes ou les lecteurs optiques.
Ce type de lasers utilise les électrons d'un plasma afin de produire un rayonnement. Ils sont principalement utilisés pour la recherche car leurs fréquences peuvent être ajustées, allant de l'infrarouge aux rayons X.
