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RÉSUMÉ
Depuis son invention en 1960, le laser a toujours su se positionner sur de nouveaux domaines d’applications. Il est ainsi devenu un objet courant de la vie quotidienne et un acteur important des secteurs scientifiques et économiques. Même si les lasers présentent toutes sortes de caractéristiques physiques (dimension, longueur d’onde démission, puissance…), leurs fonctionnements reposent sur quelques principes communs. Après une brève description théorique de l’effet laser, cet article fait le point sur les différentes sources laser, pour donner ensuite au lecteur un panorama général des lasers et de leurs applications.
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Hugues GUILLET DE CHATELLUS : Directeur de recherche au CNRS, docteur en physique de l’Université Bordeaux 1 - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, UMR 5588, - Saint-Martin-d’Hères, France
INTRODUCTION
L’invention du laser à rubis en 1960 par T. Maiman est l’aboutissement de travaux fondamentaux sur l’interaction entre la lumière et la matière entrepris dès le début du XXe siècle. Les lasers sont devenus, en soixante ans, un objet familier présent dans un nombre toujours croissant d’applications, tout en conservant malgré tout son caractère fascinant. La représentation courante d’un laser, popularisée en particulier par le cinéma, est celle d’un rayon de lumière colorée, qui illustre deux propriétés fondamentales des lasers : la nature spécifique du spectre – le contenu fréquentiel –, et la directivité du rayonnement. Par sa nature, un rayonnement laser est donc très différent des sources lumineuses habituelles (ampoule à incandescence, diode électroluminescente), dont le spectre est généralement large et la directivité faible. Il existe des lasers de toutes tailles, depuis des nanostructures de quelques dizaines de nanomètres, jusqu’aux systèmes laser de fusion contrôlée, qui occupent des bâtiments de plusieurs centaines de mètres. Les types de rayonnement émis sont également très divers, à la fois au niveau des longueurs d’onde (depuis les rayons X et l’UV lointain des lasers excimères, jusqu’à l’infrarouge des lasers CO2), et de la structure temporelle du rayonnement laser (des lasers continus jusqu'aux sources d'impulsions ultra-courtes : femtoseconde (10−15 s), voire attoseconde (10−18 s)). Enfin, les puissances lumineuses instantanées émises varient sur une très large plage, du nanowatt (10−9 W) jusqu’à l’exawatt (1018 W). Par ailleurs, dans un contexte technique et industriel en pleine évolution, les domaines d’application des lasers se sont très largement diversifiés, allant de l’usinage aux télécommunications, en passant par la chirurgie et les grands enjeux énergétiques actuels. Afin de proposer une vision globale des sources lasers, la première partie de cet article rappelle les principes communs des lasers : les mécanismes d’amplification lumineuse, l’effet de la cavité, puis la mise en forme spatiale et temporelle du rayonnement laser. La seconde partie s’applique à dresser un panorama général des sources laser, en fonction de leur domaine d’application.
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- Version archivée 1 de sept. 1996 par Gilles BRASSART, Jean-Louis MEYZONNETTE, Jean-Paul POCHOLLE
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2. Exemples de sources laser
Après avoir présenté les propriétés fondamentales des lasers, nous décrivons ici les différents types de sources laser usuelles.
2.1 Lasers à gaz
Les lasers à gaz utilisent généralement la désexcitation d’atomes, de molécules, ou d’ions portés dans un état excité, généralement par un processus de décharge électrique [AF 3 271]. Ces lasers sont capables de fournir de fortes puissances (plusieurs dizaines de watts en continu). En revanche, à cause du faible rendement de conversion, ils nécessitent des puissances électriques importantes et un refroidissement efficace, souvent par eau. Parmi les lasers à gaz les plus fréquents, citons le laser hélium-néon (632,8 nm), très utilisé pour l’alignement, la lecture optique et dans l’enseignement. Les lasers à argon ionisé (488 nm, 514 nm) ont été massivement utilisés pour le pompage de lasers à colorant ou tout solide avant l’avènement des diodes laser, qui permettent maintenant de pomper efficacement des lasers à néodyme autour de 1 064 nm. Ces lasers, comme les lasers à krypton, restent utilisés à cause de leur émission multi-raies dans le visible, pour les éclairages et les spectacles lasers (figure 16).
Un certain nombre de lasers à gaz ont été mis au point pour obtenir des rayonnements ultra-violet. C’est par exemple le cas des lasers excimères (pour excited dimers ). La spécificité du milieu amplificateur est de présenter un état fondamental instable (dissociation), donc peu peuplé, et d’états excités relativement stables. L’inversion de population est donc particulièrement efficace. Ces lasers permettent de disposer de différentes longueurs d’onde bien déterminées dans l’UV (157 nm pour F2, 193 nm pour ArF, 248 nm pour KrF, ou 351 nm pour XeF). Ces lasers émettent des impulsions de plusieurs dizaines de nanosecondes, à des taux de répétition relativement faibles (quelques centaines de hertz). Ils sont principalement...
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Le laser – Fondamentaux. Cours de F. Balembois et N. Forget
http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M01_C01/co/OPI_fr_M01_C01_web_1.html
Les lasers : principe et applications. Cours vidéo M. Brunel
https://www.scienceaction.asso.fr/ressources/videos/lasers-principe-et-applications-les
Laser Fundamentals, Cours vidéo du MIT
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