Lasers - production et applications

Chapitre 1

Généralités sur les lasers

1.1 Introduction

Dans ce chapitre, nous allons poser quelques questions et y répondre en partie. Qu'est-ce qu'un laser? Quelle est la différence entre un laser et une ampoule électrique? Dans quelles gammes de fréquences sont disponibles les lasers? Et quelles sont ses propriétés?.

1.2 Q

u'est-ce qu'un laser?

Les lasers sont des dispositifs qui produisent un rayonnement cohérent pour des longueurs d'ondes situées dans les domaines infrarouge (IR), visible, ultraviolet (UV) du spectre électromagnétique. Les masers émettent sur le même principe dans le domaine Hertzien. On se limitera dans ce projet de fin d'étude aux lasers. Ces dispositifs emploient une variété extraordinaire de matériaux et de méthodes d'amplification, et ont d'innombrables applications réalisées ou potentielles.

1.3 Le laser et l'ampoule

La cohérence spatiale et temporelle fait la différence entre un laser et une ampoule électrique (fig. 1.1).Alors qu'une lampe émet des trains d'ondes non corrélés dans toutes les directions spatiales, un laser génère des ondes cohérentes dont elles peuvent avoir une forte directionnalité. Quelles sont les possibilités de génération d'ondes cohérentes dans l'espace et dans le temps?

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FIGURE 1.1 - Laser à onde continue (cw), laser femtoseconde (fs) et ampoule électrique

Un laser peut générer une onde continue cohérente ou un train d'impulsions cohérentes. Les cas extrêmes de génération d'un rayonnement visible sont les suivants :

-- Le laser à onde continue (laser CW) émet une onde électromagnétique continue. Le champ est cohérent dans l'espace et dans le temps.

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-- Le laser femtoseconde (laser FS) émet une onde électromagnétique constituée d'un train d'impulsions. La durée d'une seule impulsion d'un train peut être aussi courte que 5 fs (1 fs = 1 femtoseconde = 10^-15 s). Le champ d'un train d'impulsions est également cohérent dans l'espace et dans le temps.

1.4 Gammes spectrales et liste de quelques lasers

La figure (fig. 1.2) représente les longueurs d'ondes et les fréquences des gammes spectrales du spectre électromagnétique - des rayons X aux micro-ondes et aux ondes radio en passant par l'ultraviolet (UV), le visible, la proche infrarouge (PIR) et l'infrarouge lointain (IRL), les micro-ondes et les ondes radio. La fréquence í d'une onde électromagnétique dans le vide obéit

à la relation suivante:

c

í = (1.1)
ë

avec c (= 3×10⁸ m.s^-1) est la vitesse de la lumière et ë la longueur d'onde.

Le domaine spectral visible correspond à une gamme de fréquences d'environ 430-750 THz (gamme de longueurs d'onde d'environ 400-700 nm). L'optique et la lumière font référence aux ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide est inférieure à environ 1 mm, c'est-à-dire dont la fréquence est supérieure à 300 GHz. Les lasers sont disponibles dans les régions de l'ultraviolet, du visible, du proche infrarouge, de l'infrarouge lointain et des mi-croondes. Des lasers de la gamme des rayons X sont en cours de développement. Les gammes spectrales dans lesquelles les lasers sont disponibles s'étendent de la gamme des GHz à la région supérieure à 1 000 THz.

Le tableau (Tab. 1.1) présente les données de quelques lasers à ondes continues. Les données concernent : ë = longueur d'onde du laser; í = fréquence du laser; hí = énergie quantique des photons d'un champ laser; h = 6.626 × 10^-34 J.s; Psort = puissance de sortie.

TABLE 1.1 - Longueurs d'onde, fréquences et des quantum d'énergies des lasers

Laser	ë	í(THz)	hí(10^-19J)	Psort
HeNe	633nm	474	3.1	1-10 mW
CO2	10.6um	28	0.18	1W à 1 kW
Nd :YAG	1.06u	283	1.9	2W
TiS	830nm	360	2.4	100 mW à 5W
Fibre	1.5 um	200	1.3	1W
Semiconducteur	840 nm	357	2.4	10-100 mW
QCL	1.5um	60	0.25	10-100 mW

1.5 Les propriétés du laser

Le rayonnement laser est caractérisé par un degré extrêmement élevé de (1) monochroma-ticité, (2) cohérence et (3) directionnalité. Nous allons maintenant comprendre la signification

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FIGURE 1.2 - Gammes spectrales des lasers

de chacun de ces termes.

· Monochromaticité

L'énergie d'un photon détermine sa longueur d'onde par la relation d'énergie de Planck. Dans le cas idéal, le laser émet tous les photons avec la même énergie, et donc la même longueur d'onde, on dit qu'il est monochromatique. La lumière d'un laser provient généralement d'une transition atomique avec une seule longueur d'onde précise. Le laser a donc une seule couleur spectrale et est presque la lumière monochromatique la plus pure qui soit.

Cependant, dans tous les cas pratiques, le laser n'est pas vraiment monochromatique. Une onde vraiment monochromatique nécessite un train d'ondes d'une durée infinie. La ligne d'émis-sion spectrale d'où elle provient a une largeur finie, en raison de l'effet Doppler des atomes ou des molécules en mouvement dont elle provient. Par rapport aux sources ordinaires de lumière, la gamme de fréquences du laser est extrêmement réduite. Cette plage est appelée largeur de ligne ou bande passante.

· Cohérence

Avant d'aller plus avant, il faut insister sur ce point : c'est parce que la lumière laser est cohérente que l'action du laser sur la matière est si particulière, et peut transporter une importante quantité d'énergie lumineuse sur de longues distances.

La cohérence de la lumière laser traduit le fait que les ondes lumineuses transportées sont « en phase ». Les sources de lumières naturelles (étoiles), ou artificielles (ampoules électriques) émettent une lumière polychromatique et non cohérente. L'émission de photons s'effectuent de manière désordonnée : les photons de même longueur d'onde ne sont pas en phase.

Au contraire, la lumière laser est cohérente : les photons émis par la source laser ne sont pas distinguables : ils ont la même phase, même polarisation (angle formé par la vibration du champ électrique avec la direction de propagation). La cohérence de la lumière laser est à la fois spatiale et temporelle.

1. Cohérence spatiale : à un instant donné, tous les points situés dans un même plan perpendiculaire au faisceau laser sont dans le même état de phase (même valeur et orientation du champ électromagnétique).

2. Cohérence temporelle : elle traduit le fait que plusieurs ondes lumineuses émises successivement par un même point de la source demeurent en phase : cette caractéristique et bien sûr liée de près à l'aspect (presque) monochromatique de la lumière laser.

· Directionnalité

L'une des propriétés importantes d'un laser est sa grande directionnalité. Les miroirs placés aux extrémités opposées d'une cavité laser permettent au faisceau d'aller et venir afin de gagner en intensité par l'émission stimulée d'un plus grand nombre de photons à la même longueur

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d'onde, ce qui entraîne une amplification plus importante en raison de la longueur du trajet dans le milieu. Les réflexions multiples produisent également un faisceau bien collimaté, car seuls les photons se déplaçant parallèlement aux parois de la cavité seront réfléchis par les deux miroirs. Si la lumière est une intensité faible sur l'axe, elle sera perdue dans le faisceau. La cavité résonante permet donc de garantir que seules les ondes électromagnétiques se déplaçant le long de l'axe optique peuvent être soutenues, ce qui permet d'augmenter le gain.

1.6 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons vu la définition d'un laser et certaines de ses propriétés, mais ce n'est pas suffisant pour comprendre complètement comment il fonctionne. Il est nécessaire de parler de certaines bases de sa théorie, et c'est ce que nous allons faire dans le prochain chapitre.