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Le LASER et l’amplification de la lumière

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Publié le 3/4/2021

Le laser est partout. Science, médecine, industrie… Le champ est vaste, très vaste. Le terme LASER signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ce qui se traduit par Amplification de lumière par Emission stimulée de Radiation. Utilisé par l’armée, le fabricant d’armes Lockheed Martin a, par exemple, développé un système de tourelle laser anti-missiles pour la protection des navires. On en fait usage également dans le domaine de la médecine, notamment pour la chirurgie réfractive, ce qui permet de corriger la myopie. L’industrie s’en sert pour l’usinage ou encore des capteurs. Mais connaissons-nous vraiment le fonctionnement de ces systèmes?




Le Laser, comment ça marche?


Pour comprendre le fonctionnement d’un LASER, il est important de visualiser la composition de la matière. Tout élément est composé d’atomes liés entre eux de diverses manières. On peut schématiser un atome comme un élément composé de nucléons (protons et neutrons) et de couches d’électrons. Les électrons des différentes couches ont des niveaux d’énergie distincts.




Schématisation d’un atome et de ses couches électroniques


Il faut aussi comprendre ce qu’est un quantum. C’est la plus petite quantité indivisible qu’on utilise en physique. Pour les ondes électromagnétiques, le quanta d’énergie est le photon, qui est le plus petit niveau d’énergie indivisible associé aux ondes électromagnétiques. Cela concerne les ondes radio, les rayons X ou UV…



Pour comprendre, une démonstration imagée

Pour saisir la suite, il y a deux autres points à assimiler. Petite démonstration et références mangas: connaissez-vous Dragon Ball et Naruto? Drôle de question, n’est-ce pas? Mais il y a un lien avec le sujet. Dans le manga Dragon Ball, lorsque le héros Goku se concentre, il peut augmenter son niveau d’énergie et atteindre un autre stade. Il accumule son énergie et utilise le Kaioken. Plus tard, on découvre qu’il est capable de passer à un niveau supérieur appelé super


Saiyan, puis Saiyan 2, etc. A chaque passage Goku dégage une puissance toujours plus importante.


Evolution progressive des états de San Goku: Normal, Kaioken, Saiyan 1, Saiyan 2 et Sayan 3



Pour les plus jeunes, on peut aussi utiliser l’analogie de Naruto. Lorsque celui-ci perd le contrôle et que Kyubi prend le contrôle de son corps, on voit pousser une queue de shakra. Plus il perd le contrôle plus le nombre de queues augmente, et plus le personnage gagne en puissance et en énergie.



Transformation progressive de Naruto: Normal, Démon 1 queue, démon 2 queues et démon 3 queues


Voici le lien avec les lasers: lorsqu’un électron présentant un niveau d’énergie E1 reçoit un photon (d’énergie E=hv ), l’électron va absorber l’énergie du photon. Il passe alors à un niveau E2. On parle d’absorption. Dans cette phase, l’électron gagne en énergie et passe à un autre niveau.

Si on ramène cela à Goku ou à Naruto:

Goku se concentre et absorbe l’énergie, il passe en mode Kaioken.


Schématisation des effets de l’absorption d’énergie d’énergie chez Goku



Dans le cas de Naruto, il absorbe du shakra de renard et se retrouve au stade de démon renard avec 1 seule queue apparente.


Schématisation de l’absorption d’énergie chez Naruto



Nos deux personnages vont passer du stade E1 au stade E2 après avoir absorbé de l’énergie (un photon E=Hv). Puis ils vont se servir de ce surplus d’énergie pour lancer des super attaques (kamé hamé ha, razengan, etc.), mais après avoir dépensé une grande quantité d’énergie, ils retombent à leur niveau de départ.

Pour les électrons, c’est le même phénomène. Ils absorbent des photons et passent d’un niveau E1 à un niveau E3. Ils vont ensuite libérer de l’énergie pour passer à un niveau E2 qui est entre le E1 et le E3. Cette libération d’énergie est une émission non radiative, ce qui signifie qu’ils libèrent de l’énergie qui n’est pas visible. Enfin pour passer du niveau E2 au niveau E1, ils libèrent de l’énergie sous la forme de photons d’une fréquence spécifique. Cette émission est l’émission radiative. C’est notre fameuse émission LASER.



Variation des niveaux d’énergie dans un électron pour l’émission stimulée



Immersion au cœur du LASER



Un LASER est constitué de trois éléments principaux:

- Une pompe

- Un milieu actif

- Une cavité

Photon d’énergie E= h*ν

Electron d’énergie E2

Photons réémis d’énergie E=h*ν

La pompe est le point de départ de l’émission LASER. Elle va générer les photons et les envoyer au système. Ces photons seront absorbés par les électrons du milieu actif qui, lorsqu’ils seront assez chargés, vont émettre deux photons identiques, après en avoir absorbé un.






Schéma d’un électron lors de l’émission stimulée





Les photons émis par ces électrons vont alors être absorbés par les électrons à proximité. Ces électrons vont changer de niveau d’énergie, et ensuite se décharger par émission spontanée. Celle-ci génère deux photons supplémentaires pour chaque électron qui se désexcite. Ce phénomène va se propager d’électron en électron et faire un effet boule de neige. C’est d’ailleurs pour cela que l’on parle de lumière amplifiée. Plus le phénomène se propage, plus il y a d’électrons qui passent du niveau E1 au E3: on parle alors de la phase de pompage. Dans le milieu actif, lorsqu’il y aura plus d’électrons au niveau E3 que d’électrons au niveau E1 dans la cavité, on sera en phase d’inversion de population.








Schéma de l’inversion de population




C’est un peu comme une invasion de zombies. Un premier zombie vient mordre une personne. Cette personne contaminée va en mordre une autre, qui en mord une autre, et ainsi de suite. C’est la phase de pompage. Au final, quand il y a plus de zombies que d’humains, il y a «inversion de population».

Le milieu actif est un milieu composé d’un matériau qui permet d’amplifier la lumière. Pour créer la réaction expliquée ci-dessus, on utilise le plus souvent des milieux composés de cristaux. Par exemple le saphir, le chrome, le silicate… On ne peut pas utiliser n’importe quel matériau: seuls certains peuvent créer cette amplification de la lumière.





Exemple des matériaux pouvant constituer un milieu actif




La cavité, là où a lieu l’amplification de la lumière

La cavité LASER est la partie qui contient le milieu actif et permet de diriger le flux. Il y a à une extrémité de la cavité un miroir, en face de celui-ci à l’autre bout de la cavité, il y a un miroir semi-réfléchissant (le miroir de sortie). Pendant la phase de pompage, les photons émis par les différents électrons vont «rebondir» dans la cavité contre les miroirs. Si un photon frappe un des deux miroirs, il est renvoyé de l’autre côté de la cavité, et doit donc traverser à nouveau le milieu actif. Ce qui a pour conséquence qu’il peut participer encore à l’émission stimulée. C’est de cette façon que se crée l’effet boule de neige, et donc l’amplification de la lumière.




Schéma d’une cavité optique de LASER



La distance entre les deux miroirs de part et d’autre de la cavité doit être parfaitement maîtrisée pour être sûr que le faisceau laser qui sort de la cavité ait une longueur d’onde la plus fine possible. On cherche une onde monochromatique. On va alors essayer d’avoir une distance entre les miroirs égale à x*λ (avec λ la longueur d’onde qu’on veut favoriser).



Les perspectives d’avenir pour le laser


Le laser est une technologie qui s’est largement démocratisée. Bien que l’on maîtrise assez bien cet outil, il existe de nombreuses limitations à son usage. La puissance émise par les lasers peut être augmentée en réduisant le temps d’émission du faisceau. C’est le principe des lasers ultra-brefs. Ceux-ci dégagent une énergie importante grâce à leur faible temps d’émission. A l’avenir, on pourrait penser à une augmentation de leur puissance, mais aussi à la finesse de la longueur d’onde du faisceau émis. Au vu de tous les champs d’application, cela permettrait d’augmenter la production dans les cadres de l’usinage laser, et sa précision avec des émissions de plus en plus brèves. Une meilleure maîtrise des faisceaux lasers rendra aussi possible de grandes avancées dans la qualité des images obtenues en holographie laser. Toutes les potentialités du laser n’ont pas encore été sondées, mais il est fort probable que cette technologie apportera encore de grands progrès dans de multiples domaines.





Sources :

1.http://lamh.gmc.ulaval.ca/opus/physique534/optique/laser08.shtml

2.http://www.perrin33.com/biochanalys/photons/absfluo-uvvisible-3.php

3.https://fr.wikipedia.org/wiki/Saphir

4.https://www.lockheedmartin.com/en-us/capabilities/directed-energy/laser-weapon-systems.html

5.https://www.medicalexpo.fr/prod/limmer-laser/product-69117-672245.html

6.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201500531?casa_token=2r7neQsWhekAAAAA%3AqVHoqisu_z2vROnjFmwp48RShyafKe3nbRSgE6aAhpBivlNSVs8MmCgVcFrwpGIfzK9 K4phFXZWlzpAOrganic Single Crystal Lasers: A Materials View: Johannes Gierschner, Shinto Varghese,Soo Young Park.

7. https://www.pourlascience.fr/sd/physique/les-lasers-dintensite-extreme-2516.php







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