Né dans l’esprit des auteurs de science- fiction bien avant sa réalisation réelle, le laser est aujourd’hui un outil qui a acquis une place prépondérante dans de nombreux domaines. Son rayonnement puissant et directif est l’aboutissement de presque un siècle de recherches sur la nature de la lumière. UN FANTASME DEVENU REALITE Le laser occupe science.une place singulière dans l’histoire même sa découverte de la science En effet avant méme sa découverte et ses nom-,breuses applications, il faisait partie de l’imaginaire collectif, grâce notamment aux auteurs de science-fiction qui rêvaient d’une puissante lumière directive capable de tout détruire. Et puis la science, pas à pas, réalisera le fantasme des écrivains et de leurs lecteurs. Si l’on peut faire remonter la source originelle du laser à la découverte accidentelle de l’effet photoélectrique en 1887 par Heinrich Hertz, la date « officielle » de sa naissance est cependant le 16 juin 1960. Ce jour-là, le physicien américain Théodore Maiman réalise le premier effet laser dans le domaine optique en utilisant un cristal de rubis. Jusqu’alors, les précédentes tentatives d’effet laser s’étaient déroulées dans le domaine des micro-ondes, appelées alors « maser » pour Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. La découverte de Maiman ouvrit la voie à de nombreux types de laser.
L’AMPLIFICATION DE LA LUMIÈRE
Le mot « laser » est l’acronyme de Light Amplification by Sti- mulated Emission of Radiation, qui signifie en français « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». Au fil du temps, il est devenu un mot du langage courant. Comme son nom l’indique, le laser est un dispositif qui amplifie (ou produit) un rayonnement cohérent pour des longueurs d’onde situées dans le domaine optique, c’est-à- dire couvrant l’infrarouge, le visible et l’ultraviolet. Le terme important dans cette définition est la notion de cohérence. En effet, d’une part le rayonnement laser est cohérent tempo- rellement, c’est-à-dire que toutes les ondes émises sont en phase. Et d’autre part, il l’est spatialement, c’est-à-dire qu faisceau émis est un pinceau de lumière très directif et de faible divergence. Pour obtenir l’effet laser, il faut exciter un milieu actif contenant des atomes, des ions ou des molécules, dans des conditions telles qu’ils puissent libérer de l’énergie lumineuse simultanément. LE LASER LES DIFFÉRENTS TYPES DE LASER
Les conditions de résonance, c’est-à-dire les conditions pour que l’énergie lumineuse soit libérée simultanément, s’établissent en un temps très bref après quelques allers-retours de la lumière dans une cavité formée de deux miroirs dont l’un est semi-réfléchissant. Le rayonnement est émis à travers ce dernier miroir. Suivant les types différents de milieux actifs, qui vont être amplifiés, on obtient différents types de lasers. Ces milieux peuvent être de types gazeux, liquide ou solide. Dans les lasers à gaz, les espèces gazeuses sont portées dans l’état excité de façon directe par collision avec des électrons ou de façon indirecte par collision avec d’autres gaz, eux- mêmes excités électriquement. En pratique, seul le laser à CO2 est utilisé dans l’industrie du bâtiment. Les lasers à liquide sont très peu utilisés. Les lasers à solide sont les plus largement utilisés, car ce sont les plus compacts et efficaces, comme les diodes laser basées sur l’utilisation de semi- conducteurs.
LES MULTIPLES APPLICATIONS
Les applications du dispositif laser sont si nombreuses aujourd’hui qu’il est bien difficile d’en dresser une liste exhaustive. Aussi bien par le grand public que par l’industrie, un laser peut être utilisé seul, comme c’est le cas pour un pointeur laser, ou il peut être incorporé à un autre appareil (imprimante laser par exemple) ou à une machine (soudage ou marquage industriels, par exemple). Dans tous les cas, l’utilisation d’un laser pour une application concrète comprend, outre le laser lui-même, un chemin optique constitué de divers composants optiques, tels que des lentilles, des miroirs ou un obturateur, et une zone de processus dans laquelle le traitement voulu sera réalisé sur un matériau. Ainsi, le laser peut être utilisé en télémétrie (mesure de distance), en télédétection, en médecine (ophtalmologie, dermatologie, urologie, etc.), dans l’imprimerie, pour des applications militaires, dans l’industrie (comme la découpe au laser) ou encore lors de performances artistiques.
LE LASER MÉGAJOULE
L’exemple le plus récent est le laser Mégajoule (LMJ). Ce laser, projet de plus de trois milliards d’euros développé par le ministère de la Défense, sert à étudier, à toute petite échelle, le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes similaires à celles atteintes au cours du fonctionnement nucléaire des armes. Il peut délivrer une énergie lumineuse supérieure à un million de joules sur une cible de quelques millimètres en quelques milliardièmes de seconde. Le laser Mégajoule a été mis en service à la fin de l’année 2014 et les chercheurs en attendent beaucoup. Mais d’autres projets sont en cours, tels que le laser Pétawatt, dont l’éclairement est l’équivalent de la concentration sur un centimètre carré de la lumière émise par 1 000 millions de milliards d’ampoules de 100 W. Ce type de laser devrait permettre d’étendre l’étude de la fusion contrôlée à la physique du noyau atomique. Le laser Femtoseconde devrait, quant à lui, permettre de suivre le mouvement des atomes.
EN RÉSUMÉ
Le dispositif laser, réalisé pour la première fois dans le domaine optique en 1960, fascine depuis bien longtemps le grand public avide de science-fiction. Le laser est un dispositif d’amplification de la lumière, qui émet un rayonnement cohérent, c’est-à-dire tel que toutes les ondes émises soient en phase et que le faisceau émis soit un pinceau de lumière très directif et de faible divergence. De nombreux types de lasers ont été développés pour un nombre tout aussi grand d’applications, aussi bien en médecine que dans le monde de l’industrie.
