Comment marche un laser ?

Voilà une question que l'on me pose souvent! La plupart des gens pense probablement que le laser n'est qu'une sorte de torche dont le faisceau est très fin et très puissant. Et ils n'ont pas tort. La grande, l'énorme différence avec la simple lampe torche, c'est la technologie et le travail théorique qui ont rendu possible cette formidable invention.

On peut déjà se faire une petite idée lorsqu'on s'intéresse à ce que le mot LASER veut dire. Il s'agit d'un acronyme pour Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. En français, "amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement", ce qui sonne tout de suite un peu plus technique que "lampe de poche". Aujourd'hui, des caisses des supermarchés aux lecteurs blu-ray, en passant par les jouets pour chats, l'usage du laser s'est généralisé au point que l'on oublie souvent combien son invention a été laborieuse. Entre l'exposé du principe de l'émission stimulée par Einstein en 1917 et la réalisation du premier laser par le physicien américain Théodore Maiman en 1960, plus de 40 ans de développement auront été nécessaires. 

Application concrète de la physique quantique, le fonctionnement du laser est assez compliqué à expliquer sans équations. Alors je vais délibérément simplifier un peu et prendre le temps de parler de quelques notions indispensables auparavant, en commençant par celle d’interaction entre la lumière et la matière. Ça tombe bien, parce que j'en avais parlé un peu dans la réponse à la question "Pourquoi le verre est il transparent?" dont je reprends ici quelques paragraphes. Juste avant de commencer, et parce que c'est tout bonnement incroyable, une vidéo publiée fin Janvier 2015, qui montre un rayon laser en train de rebondir sur des miroirs :

La structure atomique : les niveaux d’énergie des électrons

Structure "classique" de l'atome.

Les atomes sont constitués d'un noyau entouré par un nuage d’électrons. On représente classiquement l'atome comme sur la figure ci-contre, avec des électrons orbitant joyeusement autour du noyau. Le nombre d'électrons, de protons et de neutrons détermine la nature de l'atome. L'atome d'hydrogène par exemple, ne compte qu'un électron. L'oxygène en compte 8 et le plutonium 94.

Les électrons ne sont pas tous à la même distance du noyau; il existe des couches qui ne peuvent accueillir qu'un nombre précis d'électrons. Les électrons sont obligés de rester dans leurs couches respectives et ne peuvent pas être quelque part entre deux couches. La première couche est appelée K, elle est réservée aux happy fews qui côtoient, peinards, le noyau au plus près. Il n'y a de la place que pour deux électrons sur cette couche. Plus loin, on trouve la couche L qui peut accueillir 8 électrons. Encore plus loin se trouve la couche M où 18 électrons peuvent loger et ainsi de suite jusqu'à la couche P qui a une capacité maximale de 72 électrons. Dans le schéma ci-dessous, seules les trois premières couches sont représentées.

Schéma des trois premières couches électroniques

Pour les curieux, le nombre d'électrons Ne qu'une couche peut accueillir est égale à 2n² où n est le numéro de la couche (n=1 pour la couche K, 2 pour la couche L etc.). Quant à la désignation par lettres, elle vient du fait que la première couche fut appelée K pour Kern qui signifie Noyau en allemand.

Chaque couche est caractérisée par une énergie particulière. Pour faire passer un électron sur une couche supérieure où il reste un peu de place, il faut lui fournir exactement l'énergie qui sépare les deux couches. C'est ce qui est illustré dans le schéma ci-dessous, où les couches sont représentées horizontalement et où l'énergie entre les couches K et L est notée delta E.

Les niveaux d'énergie dans la structure électronique de l'atome

Gardons ces quelques idées en tête et voyons maintenant ce qu'est la lumière.

Les photons et le rayonnement électromagnétique

La lumière (comme la matière) est à la fois une onde électromagnétique et une particule (le photon). L'onde électromagnétique correspond à la propagation d'une variation du champ électromagnétique, comme l'onde acoustique correspond à la propagation d'une variation de pression. Un photon peut être plus ou moins énergétique, ce qui se traduit par une variation de fréquence de l'onde associée. Plus le photon est énergétique, plus la fréquence est élevée. La lumière visible correspond aux ondes électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 385 et 790 TéraHz.

Ondes sinusoïdales de fréquences différentes : celle du bas a la plus haute fréquence et celle du haut, la plus basse. Crédits : wikipédia

En général, on fait plutôt référence à la longueur d'onde : les Hommes peuvent voir le rayonnement électromagnétique pour des longueurs d'onde comprises entre 400 et 780 nanomètres (un nanomètre est égal à un millionième de millimètre). Dans cet intervalle appelé spectre, chaque longueur d'onde correspond à une couleur (le spectre est continu, on ne passe pas d'un coup d'une couleur à une autre):

Spectre (gamme de longueur d'onde) de la lumière visible

Les photons "bleus" sont plus énergétiques que les photons "rouges". Les autres longueurs d'onde correspondent à celles que l'on ne voit pas mais dont on peut ressentir les effets : le rayonnement U.V, les micro-ondes, les rayons X etc. En fait, le spectre de la lumière visible n'est qu'un fragment du spectre électromagnétique :

Spectre électromagnétique, crédits : Université de Nantes -Faculté de Médecine

L’interaction entre la lumière et la matière

Lorsqu'un photon arrive sur un atome, il peut se produire deux choses : soit son énergie correspond pile-poil à celle qu'un électron attend désespérément pour passer à une couche supérieure, soit l'énergie du photon est bien trop basse ou bien trop haute pour intéresser l'électron. Si un photon apporte exactement la bonne quantité d’énergie, il est absorbé par un électron. Celui-ci profite alors de ce tremplin énergétique pour se propulser vers la strate supérieure! Il passe dans un état dit excité. Las, cet état de grâce ne dure pas, et l'électron retourne très rapidement à sa couche d'origine en restituant l'énergie qu'il avait emmagasinée ; il réémet exactement le même photon qu'il a absorbé. Un véritable ascenseur émotionnel pour le pauvre électron. C'est ce qu'on appelle l'émission spontanée.

Le principe du laser : les niveaux d'énergie métastables et l'émission stimulée

Le principe du laser repose sur un type particulier d'émission de lumière. Dans le cas de l'émission spontanée, la durée de vie de l'état excité est extrêmement courte (de l'ordre du milliardième de seconde). Un atome se calme rapidement tout seul en émettant un photon similaire à celui qu'il avait absorbé (ce qui arrive quand un électron rejoint sa couche énergétique initiale). On ne sait jamais exactement quand l'atome va se désexciter et émettre un photon. Et on ne sait pas grand chose non plus au sujet de ce photon, dont on ne connait que l'énergie, et qui va s'en aller dans une direction a priori aléatoire. Impossible alors de se servir de ce phénomène pour créer une source lumineuse. C'est là qu'intervient A.Einstein qui a montré que l'émission peut être stimulée en envoyant sur l'atome excité un photon d'énergie semblable à celle du photon que l'on veut émettre. Si vous avez bien suivi, cela revient à balancer sur l'atome excité un rayonnement dont la fréquence est celle de l'onde électromagnétique que l'on veut produire. Pour faire simple, si l'électron a absorbé un photon orange par exemple, alors on envoie une lumière orange. Le photon orange absorbé est alors pris d'une frénétique envie de rejoindre son pote photon orange. Il s'arrache de l'atome, l'électron redescend d'un cran et les deux photons orange se font la malle. Cette opération a donc transformé deux photons quelconques en deux photos exactement semblables.

Ce phénomène d'émission stimulée permet de créer et d'amplifier un rayonnement ; en envoyant un photon, on en récupère deux, c'est le phénomène d'amplification. Mais surtout, parce que les photons adorent partager leurs états, le photon émis est le même que le photon incident. C'est à dire que l'onde électromagnétique incidente et l'onde émise ont les mêmes caractéristiques : même phase, même état de polarisation et même direction de propagation. Il est donc possible de créer relativement facilement des photons identiques.

Le phénomène d'émission stimulée. La désexcitation de l'atome est stimulée par l'arrivée du photon incident. Le photon émis vient s'ajouter au champ incident : il y a amplification. Crédits : Wikipédia

Évidemment, ce phénomène n'est pas exploitable en soi. L'état non excité (appelé état fondamental) est en effet une configuration beaucoup plus stable pour l'atome. Il en résulte que pour une population d'atomes à un instant donnée, il y a très peu d'atomes excités. Si l'on envoie un rayonnement de fréquence adéquate, on va certes stimuler l'émission de photons par les quelques atomes excités, mais on va aussi exciter des atomes qui ne l'étaient pas. Bilan des courses : la proportion d'atomes excités sera la même et on n'aura pas produit de photons supplémentaires. Pour tirer profit de l'émission stimulée et produire une amplification, il faut faire en sorte que les atomes soient majoritairement excités. Et pour cela, il va falloir ruser un peu.

Le pompage et l'amplification optique

L'idée est de faire en sorte d'envoyer les électrons sur un niveau d'énergie beaucoup plus stable. Pratiquement, cela consiste à passer par un état d'énergie plus haut (noté E3 dans le schéma ci-dessous) pour redescendre sur un niveau E2 plus stable. Cette première transition se fait sans émission de rayonnement. On peut imaginer qu'on shoote dans un ballon pour le faire tenir au sommet de la colline (E3). Si on y parvient, le ballon n'y reste pas longtemps et dégringole sur le niveau E2. Sur ce niveau d'énergie, les électrons peuvent rester mille fois plus longtemps avant de redescendre spontanément au niveau fondamental. Ce qui revient à dire que les atomes restent excités mille fois plus longtemps.

En fournissant de manière constante l'énergie nécessaire, sous forme de rayonnement par exemple, pour maintenir les atomes dans leur état de liesse, on augmente progressivement la proportion d'atomes excités, jusqu'à réaliser une inversion de population. On atteint alors une configuration où la majorité des atomes sont excités. Désormais, si l'on envoie un rayonnement pour stimuler l'émission de photons, on aura beaucoup plus de chances que les photons incidents percutent un atome excité plutôt qu'un atome dans son état fondamental. Autrement dit, peu de photons seront absorbés, la plupart provoqueront une émission stimulée et on sera parvenu à créer une source de lumière cohérente, où tous les photons sont dans le même état. Les photons émis par stimulation vont stimuler d'autres atomes, qui vont eux même émettre des photons et ainsi de suite. Cet effet de cascade permet d'amplifier très rapidement le rayonnement.

Pour augmenter encore le phénomène d'amplification, il est nécessaire d'effectuer un pompage optique, technique qui valut à son inventeur,  Alfred Kastler le prix Nobel de physique en 1966. Pour effectuer ce pompage, on fait parcourir une boucle fermée au faisceau LASER, le forçant à traverser de nombreuses fois le milieu "excitable". Le rayonnement est envoyé sur un miroir semi-réfléchissant. Une partie du faisceau, moins de 1%, sort du circuit : c'est le faisceau laser que l'on voit  Le reste est renvoyé dans le milieu amplificateur via un jeu de miroirs. A chaque boucle, le rayonnement est amplifié.

Fonctionnement général du LASER

En pratique, ce système peut être plus simple : souvent le rayonnement est amplifié dans une cavité optique où le faisceau laser est réfléchi par les miroirs situés sur les parois.

Ce sont ces nombreux allers-retours dans une cavité fermée qui vont permettre de produire une lumière caractérisée par une direction de propagation uniforme. La géométrie de cette cavité va en effet déterminer les modes de propagation. Les ondes se propageant dans d'autres directions que celle de l'axe de la cavité ne sont pas réfléchies par les miroirs et sont éliminées. La cavité agit comme un résonateur qui sélectionne certains modes et les amplifie.

Les rayons qui ne sont pas perpendiculaires au miroir sont éliminés.

Le faisceau obtenu est très peu divergent, c'est à dire qu'il reste fin et concentré sur une très longue distance. Il est formé de photons identiques qui se propagent dans la même direction. Comme la lumière est concentrée, elle est très intense et permet par exemple de chauffer rapidement une faible surface. On peut donc l'utiliser pour découper proprement et facilement quasiment tout !

Le fonctionnement du laser est résumé dans cette vidéo courte et très bien faite :

Le fonctionnement du LASER résumé en vidéo. Crédits : Jubobroff 

Concrètement, de quoi le dispositif LASER est il fait ?

Dans un laser, on utilise des gaz, des liquides ou des solides (des cristaux ou des verres) comme milieux excitables. Le premier laser fonctionnait avec un cristal de rubis (d'où la couleur rouge). Un tube enroulé autour de la barre de rubis permettait d'émettre le flash de lumière verte-jaune nécessaire à l'excitation initiale, faisant passer les électrons successivement sur la couche E3 et E2. Le schéma du dispositif est résumé dans la figure ci-dessous :

Schéma du premier dispositif  LASER. Adapté de cette page

Les transitions électroniques d'un niveau d'énergie à l'autre sont représentées ci-dessous :

Niveaux d'énergie pour le rubis, crédits

Les lasers à gaz fonctionnent avec un mélange hélium-néon ou avec du dioxyde de carbone. Dans les dispositifs liquides, ce sont les colorants (des molécules) qui sont excitées. La longueur d'onde (et donc la couleur) du laser dépend majoritairement de la couleur du milieu excité. Pour avoir un rayon laser bleu, on prend un milieu excitable bleu !  

Plus de 50 ans après la réalisation du premier laser, celui-ci continue d'être perfectionné. Aujourd'hui, la plupart des lasers sont utilisés dans les  technologies de la télécommunication, sous forme de diodes laser. Je pourrais parler des nombreuses applications du laser, comme la chirurgie ophtalmologique ou le découpage industriel, mais j'ai faim alors je compléterai éventuellement une autre fois ! Je place quand même cette petite vidéo qui montre des gouttes d'encre pulvérisées par un laser. Ça sert à rien mais c'est joli.

Et saviez vous que l'on vient de réaliser le premier LASER sonique ? Dans cet article, vous pourrez découvrir comment les chercheurs sont parvenus à remplacer les photons par les phonons !

Pour conclure, je vous ressers ma réponse au billet "Mardi d'hiver, laser" du prof Moustache, sur "Tu mourras moins bête".

  

 

 

Voir les autres questions - réponses

Pour en savoir un peu plus :
ce site assez généraliste
celui-ci, sur les niveaux d'énergie
la page wiki
cette page sur l'optique et les résonateurs.
Si vous avez la flemme de lire, écoutez la retranscription de l'interview de Nicolas Grandjean, professeur à l’EPFL et directeur du laboratoire de photonique sur Podcast Science.
Cette page, au sujet d'Apollon, le futur laser le plus puissant du monde.

À découvrir sur le C@fé des Sciences : Lumière concentrée : les lasers