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
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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