laser.

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laser. n.m., générateur de lumière monochromatique et cohérente utilisant l'émission
induite résonante. L'émission de photons (radiofréquences, infrarouge, lumière visible,
ultraviolet, rayons X) par la matière se produit au cours de transitions radiatives d'un niveau
d'énergie à un autre moins élevé. Ce processus peut se produire spontanément, mais Einstein
a montré en 1917 qu'il peut aussi se produire de façon provoquée, lorsque le système (un
électron d'un atome par exemple) dans son état excité se trouve stimulé par un photon
d'énergie égale à celle qu'il émet lors de sa « désexcitation «. Le photon émis dans ces
conditions se propage dans la même direction que le photon stimulateur, et leurs ondes
électromagnétiques associées sont en phase. Il suffit alors que ces deux photons rencontrent
un nouvel électron dans un état excité pour que celui-ci émette un troisième photon qui
accompagne les deux autres... et ainsi de suite. On obtient de cette façon un amplificateur de
lumière qui fournit un faisceau de photons ayant tous la même fréquence, se propageant
dans la même direction et tous en phase, c'est-à-dire un laser. Malheureusement, Einstein a
montré également que ces photons, lorsqu'ils rencontrent un électron dans son état non
excité, sont absorbés par celui-ci avec la même probabilité que celle du processus d'émission
induite. Si les électrons non excités sont plus nombreux que les électrons excités, l'absorption
l'emporte sur l'émission induite et la chaîne s'arrête. La mécanique statistique montre que, à
l'équilibre thermique, un état a d'autant moins de chances d'être occupé par un électron que
son énergie est plus élevée. À l'équilibre, les états d'énergie élevée sont donc toujours moins
occupés que les états bas en énergie, et l'effet laser n'est pas possible.

Inversion des occupations de niveaux et amplification.
Ce n'est qu'en 1960 que l'on fit fonctionner le premier laser en provoquant l'inversion des
occupations de niveaux des atomes de chrome qui existent à l'état d'impureté dans un
cristal de rubis. Dans ce cas, l'inversion est obtenue en éclairant le rubis par un violent flash
de lumière blanche ; celle-ci est absorbée par les électrons du chrome, lesquels passent
alors dans un état excité transitoire d'où ils redescendent très rapidement vers un état
intermédiaire relativement stable. Une des conditions requises pour que l'émission stimulée
ait lieu est réalisée, l'autre étant de réunir suffisamment vite une très grande densité de
photons pour que la désexcitation induite se fasse avant l'émission spontanée. Cette
seconde condition est obtenue en confinant les photons engendrés par la désexcitation à
l'intérieur d'un piège formé par deux miroirs strictement parallèles et en vis-à-vis. Si en
outre la distance entre les miroirs se trouve être un multiple entier de la longueur d'onde
des photons, le piège devient un résonateur où s'accumulent au cours d'allers et retours
successifs des photons strictement en phase les uns avec les autres et se propageant
rigoureusement tous dans la même direction, perpendiculairement aux deux miroirs. La
densité de photons à l'intérieur de la cavité devient très rapidement considérable, ce qui
enlève toute chance aux atomes de chrome de se désexciter autrement que par émission
induite. Il ne reste plus qu'à ouvrir le piège pour récupérer un faisceau de lumière rouge, de
longueur d'onde 694,3 nanomètres, formé de photons ayant tous la même longueur
d'onde, la même direction de propagation et en phase les uns avec les autres. Dans le
laser de Mairman (1960) et dans la plupart des lasers construits depuis, cette ouverture
est plutôt une fuite, obtenue en traitant un des deux miroirs pour qu'il se laisse traverser
par une faible proportion de la lumière qu'il reçoit.

Différents types de lasers.
Depuis 1960, les physiciens ont cherché à fabriquer des lasers couvrant un domaine
spectral aussi large que possible. En général, un type de laser permet d'obtenir soit une
seule longueur d'onde, soit quelques longueurs d'onde fixes, mais il existe aussi des lasers
dits accordables qu'on peut ajuster sur n'importe quelle longueur d'onde à l'intérieur d'une
plage donnée. La variété des modèles concerne aussi bien le choix de l'atome ou de la
molécule que celui de la méthode d'obtention de l'inversion de population, alors que la

structure du résonateur varie peu.
Complétez votre recherche en consultant :
Les livres
laser à rubis, page 2810, volume 5
laser - schéma de laser à rubis, page 2811, volume 5
laser - schéma de laser à gaz, page 2811, volume 5

Les spécificités du rayonnement laser.
On peut caractériser le rayonnement d'un laser par trois propriétés spécifiques : c'est un
rayonnement monochromatique ; il est cohérent dans l'espace et dans le temps ; on peut
obtenir des éclairs extrêmement brefs.
Le laser est un rayonnement monochromatique, c'est-à-dire qu'il est formé d'une seule
longueur d'onde, avec un degré de pureté qu'aucune autre source ne permet d'atteindre.
On a pu ainsi, en mesurant soigneusement la fréquence et la longueur d'onde d'une raie
laser, obtenir un gain en précision d'un facteur cent dans la mesure de la vitesse de la
lumière.
Le rayonnement laser est cohérent dans l'espace et dans le temps, ce qui signifie qu'il
existe une relation de phase bien définie entre deux points d'un faisceau, même éloignés
l'un de l'autre, soit perpendiculairement à l'axe (cohérence spatiale), soit le long de l'axe
(cohérence temporelle). Ces cohérences, que ne possède, là aussi, aucune autre source,
sont à l'origine des applications les plus spécifiques du laser. Grâce à la cohérence spatiale,
le faisceau issu d'un laser est formé de rayons parallèles et se propage en s'élargissant très
peu. On peut ainsi éclairer un miroir situé sur la Lune et recevoir la lumière réfléchie, ce qui
permet de mesurer la distance Terre-Lune à quelques centimètres près. On peut aussi
focaliser le faisceau à l'aide d'une lentille et concentrer ainsi toute son énergie dans un
volume très petit, ce qui permet des applications industrielles et médicales.
Dans l'industrie, on pratique la découpe et la soudure au laser. En médecine, le laser à
effet thermique peut être utilisé comme un bistouri pour assurer la coagulation de
vaisseaux ou pour détruire de petites tumeurs. En ophtalmologie, on provoque de petites
hémorragies au niveau de la rétine pour que la cicatrisation de ces petites hémorragies
« recolle « une rétine partiellement décollée. La photoablation à l'ultraviolet de lasers
pulsés, qui permet une précision inframillimétrique, est utilisée pour l'ablation de plaques
athéromateuses au sein des vaisseaux sanguins.
La cohérence temporelle de certains lasers est telle que deux points situés à plusieurs
mètres l'un de l'autre le long du faisceau ont une relation de phase déterminée, ce qui
permet de réaliser des mesures interférométriques d'une très grande précision. C'est
également la cohérence temporelle qui a rendu possible l'holographie.
Les lasers permettent d'obtenir des éclairs extrêmement brefs. On sait obtenir des
durées inférieures à 10-12 s e t on espère atteindre 10 -15 s . On peut ainsi étudier « en
temps réel « des phénomènes extrêmement fugaces à l'échelle atomique et moléculaire.
Lorsqu'on comprime dans un temps si bref l'énergie disponible dans le laser, on obtient
des puissances considérables, et si on fait en outre converger les faisceaux de plusieurs
lasers sur une cible unique, on obtient des densités d'énergie comparables à celles qui
règnent dans le coeur des étoiles et qui sont nécessaires pour amorcer les réactions
thermonucléaires.
Il est enfin possible de construire des lasers de très petite taille, inférieure au millimètre.
On peut inclure de tels lasers dans des dispositifs très compacts ne nécessitant pas des
puissances élevées, tels les lecteurs de disques numériques et les émetteurs de signaux
transportés par fibres optiques.

Il existe aussi un grand nombre d'applications des lasers à la recherche en physique,
chimie et biologie. Le laser permet également des effets lumineux utilisés couramment
dans les spectacles.
Chacune de ces applications s'adresse à une propriété spécifique du rayonnement laser
et a suscité le développement d'un type particulier d'instrument. Les principaux types sont
actuellement le laser à cristal (rubis, YAG), le laser à semi-conducteurs (As-Ga), le laser à
colorant (rhodamine) et le laser à gaz (argon, hélium-néon, azote, dioxyde de carbone).
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Les corrélats
oeil - L'examen et le traitement des yeux - Introduction
Les livres
laser - création d'un hologramme, page 2811, volume 5
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Les corrélats
CD (Compact Disc)
CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) et CDI (Compact Disc Interactif)
chirurgie - La procédure chirurgicale - Les instruments médicaux et chirurgicaux
disque - 2.AUDIOVISUEL
disque optique numérique (DON)
électronique - Les applications industrielles de l'électronique - Les techniques
numériques
holographie
imprimante
Kastler Alfred
maser
monochrome - 1.PHYSIQUE
rayonnement - Le rayonnement électromagnétique - Le rayonnement infrarouge
Les médias
hologramme - réalisation
Les livres
laser à trois niveaux, page 2810, volume 5
laser - mécanismes d'absorption-émission, page 2810, volume 5