Les LASERs

Principe:
Un LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est constitué d'un milieu actif, d'un oscillateur et d'un système de pompage.
Le milieu actif est un ensemble d'atomes, de molécules, d'ions... dans un état excité. Ce milieu se situe dans une cavité résonante (l'oscillateur) qui va permettre à l'onde optique de se propager sur plusieurs aller-retours grâce à des miroirs.
Le gain, propre à chaque milieu actif, va augmenter l'intensité à chaque passage.
Le pompage apporte l'énergie nécessaire pour amener le milieu actif à l'état excité. Cette énergie peut être apportée:

• par une décharge électrique (cas des lasers à gaz et des lasers à semi-conducteurs)
• par un flash lumineux très intense (cas des lasers à solides)
• par une réaction chimique (lasers chimiques)

Un dispositif comme un miroir partiellement réfléchissant permet d'extraire la lumière du système et d'obtenir le rayon utilisé.


Les différents types de lasers:

• Les lasers à solide:

Ces lasers utilisent des milieux solides. On les utilise avec un saphir dopé titane pour générer des impulsions femtosecondes.
Les lasers à solide offrent des puissances de l'ordre du kW en continu et du GW en pulsé. On les utilise pour la recherche et pour des applications industrielles comme le soudage et la découpe de matériaux.

• Les lasers à gaz:

Le milieu excité est un gaz. Le mélange hélium-néon, utilisé pour le premier laser continu connaît encore d'importantes applications. La puissance de sortie est faible (quelques mW) mais la dispersion en fréquence aussi. Cette lumière très pure est utile en interférométrie*, en holographie* ou dans les appareils servant à l'alignement. Le laser à gaz carbonique, lui, permet des puissances de plusieurs kW et s'utilise pour l'usinage et la chirurgie.

• Les lasers à semi-conducteurs:

Le milieu actif est un semi-conducteur. Pour excité les particules de ce milieu, on utilise une décharge électrique. Il n'est pas nécessaire d'installer une cavité optique. Ces lasers sont compacts, peu coûteux et leur utilisation est simple via un courant électrique. On les trouve dans les lecteurs DVD, les imprimantes et les pointeurs. Ils sont aussi utilisés comme excitateur dans les lasers à impulsions ultracourtes.

• Les lasers à électrons libres (LEL):

Dans ces lasers, l'émission provient du rayonnement synchrotron*** d'un faisceau d'électrons accélérés. Le faisceau est généré par un accélérateur de particules. Les électrons sont injectés au milieu d'une succession d'aimants permanents créant un champ magnétique périodique. Dans ce dernier, deux miroirs parallèles réfléchissent le rayonnement synchrotron émis par le faisceau d'électrons, qui devient cohérent (il a donc les propriétés d'un rayonnement laser).
Les LEL sont coûteux mais permettent d'ajuster la fréquence dans une gamme très large, de l'infrarouge aux rayons X, en modifiant la vitesse des électrons. En changeant leur débit, on module la puissance.



* Interférométrie: Technique de mesure ou d'observation utilisant des interférences notamment lumineuse.

** Holographie: Procédé de photographie en 3 dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers.

*** Rayonnement synchrotron: Rayonnement caractéristique de toute particule chargée soumise à une accélération.