Comment fonctionne un laser ? Nous l’expliquons d’une manière simple

Le terme laser est un acronyme qui fait référence à “light amplification by stimulated emission of radiation”, c’est-à-dire, amplification de la lumière par émission stimulée de radiation. Cela signifie, de manière simplifiée, que le laser est un dispositif qui produit et amplifie la lumière d’une manière presque impossible à obtenir par tout autre moyen.

Il y a des décennies, les premiers faisceaux laser pouvaient produire des puissances maximales d’environ 10 000 watts. Aujourd’hui, les lasers actuels peuvent produire des impulsions des milliards de fois plus puissants. La National Ignition Facility des États-Unis peut générer plus de 500 billions de watts d’énergie.

Comment un atome émet-il de la lumière ?

Avant de comprendre le fonctionnement d’un laser, il est nécessaire de savoir comment un atome émet de la lumière. Les atomes sont de minuscules particules avec lesquelles toute matière est faite, comme dans le cas des cellules dans le cas des êtres vivants.

(Ilustración de explainthatstuff.com)

La majeure partie de la masse de l’atome est concentrée dans le noyau au centre (en rouge), formé de protons et de neutrons groupés. Les électrons (en bleu) sont disposés autour du noyau en couches (parfois appelées orbitales ou niveaux d’énergie). Plus un électron a d’énergie, plus il a de couches et plus il est éloigné du noyau.

Les atomes émettent de la lumière en un processus de trois étapes (voir illustration ci-dessus) :

• 1. Ils commencent dans leur état fondamental, avec les électrons à leur place normale.
• 2. Lorsqu’ils absorbent de l’énergie, un ou plusieurs électrons sont expulsés du noyau, plus loin de lui, à des niveaux d’énergie supérieurs. Nous disons à ce stade que l’atome « est excité ».
• 3.Cependant, un atome excité est instable et tente de revenir à son état stable et fondamental, de sorte qu’il émette l’excès d’énergie qu’il avait initialement obtenu sous forme de photon d’énergie (ligne verte ondulée) : un paquet de lumière.

Comme nous le verrons un peu plus en dessous dans cet article, un laser suit ce processus à grande échelle : c’est une machine qui force des milliards d’atomes à pomper des billions de photons (particules de lumière) en même temps, de façon qu’ils s’alignent pour former un faisceau de lumière concentré (la ligne verte ondulée à grande échelle).

Les composants laser

Un laser a trois parties de base :

• 1. Une charge d’atomes (un solide, liquide ou gazeux) avec des électrons à stimuler autour du noyau, comme nous l’avons vu. C’est ce que l’on appelle le milieu laser ou, parfois, le milieu d’amplification ou « gain » (parce que « gain » est une autre façon de faire référence à l’amplification)..
• 2. Algo con lo que estimular los átomos, como un tubo de flash (como la lámpara de flash de xenón en una cámara) u otro láser. Esto se denomina sistema de bombeo.
• 3. Une cavité optique, telle qu’un tube de flash d’une lampe au xénon.

Un laser rouge typique, qui est généralement la première chose qui nous vient à l’esprit lorsque l’on pense à un laser, contiendrait un long cristal de rubis (le milieu laser, représenté dans l’illustration ci-dessous par une barre rouge) avec un tube de flash (lignes en zigzag jaunes) enroulé autour de lui. Le tube flash ressemble un peu à une bande de lumière fluorescente, à la différence qu’il s’enroule autour du verre rubis et clignote de temps en temps comme une lampe flash de l’appareil photo.

Comment fonctionne le laser ?

Maintenant que nous avons examiné comment un atome produit de la lumière et quels composants sont nécessaires pour générer un faisceau de lumière, nous pouvons mieux comprendre comment fonctionne un laser.

• 1. Une alimentation haute tension provoque l’allumage et l’extinction intermittente du tube de flash (comme une lampe au xénon).
• 2. Chaque fois que le tube clignote, il « pompe » de l’énergie vers le verre rubis. Les fashes provoquent l’injection d’énergie dans le verre rubis sous forme de photons.
• 3. Les atomes dans le cristal (gros points verts) absorbent cette énergie dans un processus appelé absorption. Les atomes absorbent de l’énergie lorsque leurs électrons passent à un niveau d’énergie supérieur, comme nous l’avons vu précédemment. Après quelques millisecondes, les électrons reviennent à leur niveau d’énergie initial (état fondamental) en émettant un photon de lumière (les plus petits points bleus).Ceci s’appelle l’émission spontanée.
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• 4.Les photons émis par les atomes s’éloignent et se rapprochent dans le verre rubis, se déplaçant à la vitesse de la lumière.
• 5. À certains moments, l’un de ces photons stimule un atome déjà excité. Lorsque cela se produit, l’atome excité émet un photon et nous récupérons également notre photon d’origine. Ceci est appelé émission stimulée. A ce moment, un photon de lumière a produit deux photons de lumière, elle a donc été amplifiée (puissance accrue). En d’autres termes, « l’amplification de la lumière » (augmentation de la quantité de lumière) a été provoquée par « l’émission stimulée de radiation », ce dont nous avons parlé au début. D’où le nom « laser ».
• 6. Un miroir à une extrémité du tube laser maintient les photons rebondissant vers l’avant et ver l’arrière dans le verre.
• 7. Un miroir partiel à l’autre extrémité du tube fait rebondir certains photons sur le verre, mais en laisse échapper quelques-uns.
• 8.Les photons qui fuient forment un faisceau très concentré, une lumière laser très puissante, utilisée par exemple pour couper un tube métallique.

Les utilisations du laser

Les lasers sont partout, des lecteurs de codes à barres utilisant un laser pour convertir un code à barres imprimé en un nombre qu’un ordinateur peut traiter ou imprimantes et lecteurs de DVD ou de CD dans lesquels un faisceau de laser à semi-conducteur rebondit sur le disque en rotation pour convertir son motif imprimé de données en chiffres et un chip dans un ordinateur convertit ces chiffres en images et en son. De l’envoi de gros volumes de données par Internet aux lasers à fibres optiques, en passant par les appareils de chirurgie médicale et esthétique (par exemple, l’enlèvement de tumeurs ou l’élimination des varices) et les machines de découpe de métaux des pièces qui porte notre voiture.

Des applications de défense importantes ont également été développées et, en fait, en utilisant des lasers à solide pompés par des LED, l’infrastructure d’un ennemi en temps de guerre peut être détruite de manière plus économique et plus précise que les missiles classiques, et un déploiement plus important de ces utilisations au cours de cette décennie est attendu.

Bibliographie et travaux d’intérêt:

• Entrada a la Wikipedia (en inglés)
• Cómo funcionan los láser (en inglés)
• Lásers (en inglés)