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Présentation du laser :

1)Les caractéristiques de la lumière laser

Les LASER produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le soleil ou les ampoules. Les propriétés de la lumière que nous allons détailler vont être à la base des applications utilisant ce type de rayonnement.

La lumière laser est unidirectionnelle :

Les sources lumineuses ordinaires produisent de la lumière où les différentes ondes lumineuses se déplacent dans toutes les directions à partir de la source. Le faisceau laser se comporte pratiquement comme un faisceau cylindrique. Il est très légèrement divergent, le diamètre du faisceau est de l'ordre du mm à la sortie du laser et du cm 10 mètres plus loin. L'angle £ porte le nom de « divergence du faisceau », il est du à la diffraction à la sortie du système optique. Cependant, la très grande directivité des faisceaux lasers explique qu'ils peuvent garder leur précision sur de grandes distances.

ONDE LASER

ONDE ORDINAIRE

 

? La lumière laser est monochromatique  :

Alors que la lumière ordinaire est constituée de plusieurs couleurs que l'on peut décomposer avec un prisme, le spectre de la lumière émise par un laser ne comporte qu'une seule raie, caractéristique du type de laser utilisé. On dit encore que la lumière laser est monochrome.

 

ONDE LASER

 

ONDE ORDINAIRE

 

? La lumière laser est ordonnée :

Contrairement à la lumière ordinaire où les ondes lumineuses ne sont pas émises en même temps, toutes les ondes émissent par un laser vibrent de la même manière et en même temps, on dit qu'elles sont en phase (avec les creux et les bosses aux mêmes endroits). Ainsi cette particularité permet d'éviter les phénomènes d'interférence.

ONDE LASER

 

ONDE ORDINAIRE

 

2)Le fonctionnement du laser

•  Les principes d'émission

?)L'émission stimulée

? On sait qu'il existe pour les électrons qui gravitent autour des noyaux dans les atomes, des niveaux d'énergie Différents.

L'atome est généralement dans son état fondamental, ce qui correspond à l'état de plus basse énergie E1.

L'atome reste peut de temps dans un état excité où E2 > E1, il revient rapidement à son état fondamental en émettant un photon d'énergie « hE=E2-E1 ».

Ce phénomène s'appel Emission spontanée de lumière :

Les photons sont émis dans des directions et à des instants quelconques. Les trains d'ondes lumineuses produits par la désexcitation des différents atomes n'ont aucune relation de phase entres eux  : La lumière est incohérente.

¦ En 1917 Albert Einstein met au point un autre type d'émission : c'est l'Emission stimulée . Ainsi, si un atome reste suffisamment longtemps dans un état excité (niveau E2) la désexcitation de l ‘atome peut ainsi être déclenchée par un photon incident d'énergie ˜ hE. L'atome se désexcite alors en émettant 2 photons d'énergie =hE.

Photon “?” Photon incident

Incident “?” “?” Photon incident

On obtient globalement 2 photons de même fréquence, de même énergie, de même direction et dont les vibrations correspondantes sont en phase. C'est l'émission stimulée qui produit une lumière cohérente.

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?)Le pompage optique

Dans les conditions habituelles, la majorité des atomes se trouve dans le niveau E1. Pour obtenir un effet laser, Il faut faire passer (au moins de manière temporaire) un grand nombre d'atomes du niveau E1 au niveau E2. On obtient alors plus d'atomes dans un état excité que d'atomes dans un état fondamental. On réalise alors une inversion de population.

Pour réaliser cette inversion de population il faut un apport d'énergie qui peut se faire sous forme :

•  électrique (décharge électrique dans un gaz ionisé)

•  chimique (réaction libérant de l'énergie : exo énergétique)

•  lumineuse

Le procédé qui consiste à apporter l'énergie sous forme lumineuse est dit de « pompage optique ». Il fut mis au point par Kastler en 1950 qui reçut le prix Nobel en 1966.

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•  Application des principes au laser

?)L'oscillateur laser ou cavité de résonance.

Dans la réalisation pratique d'un laser, on doit allonger le parcours des photons produisant l'émission stimulée afin qu'ils déclenchent à leur tour des désexcitations et qu'ils contribuent par ce phénomène à une réaction en chaîne produisant un flux de photons de plus en plus important. Le milieu actif (l'oscillateur) est une sorte de boîte en forme de cylindre allongé avec à chacune de ces extrémités , un miroir concave. D'un coté il est réfléchissant à 100% et de l'autre il ne l'est qu'à 99% puisqu'il est percé en son centre de façon à ne laisser s'échapper qu'un mince faisceau lumineux. Grâce aux miroirs les photons effectuent plusieurs allers-retours dans le milieu actif avant de trouver le chemin de la sortie. A chaque traversée il y a amplification.

Lorsque la source d'énergie excite en continu les particules du milieu laser, l'oscillateur produit de la lumière laser en continu. Après une rapide phase de mise en route, le rayon laser sortant garde une puissance constante.

Si la source d'énergie envoie par intermittence une décharge d'énergie dans l'oscillateur, la lumière laser est produite de manière discontinue, par impulsions très brèves et très intenses. On parle de laser impulsionnel .

 

L'oscillateur laser va servir à produire la lumière.
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler la libération d'un deuxième photon et etc.…

 

?) L'amplificateur laser

Parfois, la lumière produite par l'oscillateur peut ne pas avoir assez de puissance pour être utilisée directement. Il faut donc plus de puissance et pour cela il faut amplifier la lumière laser émise par l'oscillateur dans une série d'amplificateurs. L'amplificateur est constitué d'un simple milieu laser sans miroirs aux extrémités. Son principe de fonctionnement est le même que celui d'un oscillateur. Les particules du milieu laser sont excitées par une source d'énergie et les photons qui traversent alors l'amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identique à eux même : la lumière est alors amplifiée , le faisceau est donc plus énergétique.

Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l'augmentation de la puissance, il faudra augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs afin d'éviter que l'énergie grandissante de la lumière laser n'altère les composants optiques (milieux laser en verre...). Le faisceau sera ensuite focalisé par une lentille. La suite constituée de l'oscillateur, des amplificateurs et d'autres composants optiques (miroirs, lentilles...) constitue une chaîne laser .

 

3) Les différents types de laser

Nous venons de voir comment il était possible d'augmenter la puissance du rayon laser. Cependant, si on assimile le faisceau laser à un jet continu tel qu'un jet d'eau, pour augmenter l'efficacité de ce jet deux paramètres peuvent influer : il s'agit de la pression (intensité) du flux et de sa température. Pour le laser les paramètres sont les mêmes : Il y a donc la puissance du faisceau (voir ci-dessus) et l'énergie individuelle des particules projetées qui influent sur sont agressivité face aux tissus.

Ainsi pour obtenir des énergie individuelles par photon différentes il existe plusieurs types de milieux lasers : Solides, liquides, gazeux.

Milieux solides  : Ce sont des cristaux ( notamment des cristaux de rubis ou des verres dopés au néodyme ). Ce sont les milieux qui permettent d'obtenir la plus grande puissance utile. Ils génèrent le plus souvent des rayons discontinus et bref. Leur pompage s'effectue par des flashs électroniques au xénon, des lampes à arc ou des lampes à vapeur métallique.

Milieux liquides  : Ce sont généralement des colorants enfermés dans un récipient en verre. Le pompage s'effectue par flashs discontinus ou par un laser auxiliaire en continu. Dans ce type de milieu, la longueur d'onde peut être ajustée à l'aide d'un prisme placé dans le récipient.

Milieu gazeux  : Ca peut être un gaz pur, un mélange de gaz, ou un métal chauffé à l'état de vapeur. Le pompage du milieu peut être obtenu par rayonnement ultraviolet ou par bombardement d'électrons. Le plus répandus est le laser à dioxyde de carbone qui génèrent de fortes puissances en mode continu.

 

 

 

 

 
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