Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Lasers

PHOTOGRAPHIE Un wikilivre pour ceux qui veulent apprendre la photographie de façon méthodique et approfondie. Enrichissez-le en mettant votre propre savoir à la disposition de tous. Si vous ne savez pas où intervenir, utilisez cette page. Voyez aussi le « livre d'or ». Aujourd'hui 21/11/2024, le Wikilivre de photographie comporte 7 160 articles

plan du chapitre en cours Rayonnements électromagnétiques Définitions et vue d'ensemble (B) Histoire des théories de la lumière (ABC) La lumière (AB) Interactions de la matière et des rayonnements (B) Transmission, absorption et réflexion de la lumière (B) Rayons X et rayons gamma (C) Rayonnement lumineux thermique (B) Luminescence (B) Lasers (C) Niveau A - débutant B - lecteur averti C - compléments Avancement Projet Ébauche des chapitres En cours Avancé Terminé Quoi de neuf Docteur ? ajouter une rubrique les 10 dernières mises à jour notables Southworth & Hawes (2 mars) Showa Optical Works (29 février) Bradley & Rulofson (4 janvier, MàJ) - - - - - - - - - - Lucien Lorelle (10 décembre, MàJ) Groupe des XV (10 décembre) MàJ de la liste des APN Sony (10 décembre) Alfred Stieglitz (17 novembre) Classement et archivage (12 novembre) ADOX (24 août) Hippolyte Bayard (22 août) mises à jour précédentes Famille Chevalier (opticiens) (22 août) Ronald Kroon (8 août) Giorgio Sommer (27 juillet) Frank Jay Haynes (22 juillet) Oliver Wendell Holmes Sr. (6 juin) Paul Rudolph (26 mai) Sabine Weiss (1er juillet) Frédéric Boissonnas (10 février) Ariel Varges (8 février) Andreas Gursky (9 janvier) Antonio Esplugas Puig (8 janvier) Cosina CS-3 (7 janvier) Cosina CS-2 (7 janvier) Cosina CS-1 (7 janvier) Cosina CT-1 (7 janvier) Vivitar XV-2 (7 janvier) Fujica AX-3 (7 janvier) Mamiya ZE (7 janvier) G. Lékégian (3 janvier) Vivitar Zoom Thyristor 285 (3 janvier) Sunpak Autozoom 3600 (2 janvier) National PE-3057 (2 janvier) Minolta Auto 320X (2 janvier) Mamiyalite ZE (2 janvier) Konica X-24 Auto (2 janvier) Fujica Auto Strobo 300 X (2 janvier) Contax TLA 20 (2 janvier) Pierre Jaffeux (2 janvier) Archives 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008

navigation rapide Fabricants et marques de produits et de matériels A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Ca.a CZ Ep Fu Ko.a.f Le Mi Ni.a Ol Pa Pe Ri Sa Si So Ta Personnalités du monde de la photographie A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Éditeurs de cartes postales photographiques A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Thèmes ▪ Bibliographie Glossaire ▪ Formulaires ▪ Modèles pour le livre cliquez sur les titres ci-dessous pour dérouler les menus ■  préface - SOMMAIRE COMPLET Préface SOMMAIRE COMPLET ■  notions fondamentales et conseils pour les débutants Les premiers pas Conseils aux débutants ■  aspects esthétiques, thèmes photographiques Choix esthétiques Perspective Composition des images Thèmes ■  références scientifiques Mathématiques Physique-Chimie Rayonnements électromagnétiques ■  photométrie, colorimétrie, optique Photométrie L’œil et la vision humaine Colorimétrie Optique ■  appareils, objectifs, éclairage, accessoires, entretien Appareils Objectifs Éclairage Mesure de la lumière, posemètres Filtres optiques Matériel de laboratoire Accessoires Préparation et entretien du matériel et des objectifs Fabricants et marques ■  procédés chimiques Procédés anciens Émulsions argentiques, généralités Surfaces sensibles Traitements en général Traitements argentiques monochromes Traitements couleurs Traitements divers Sensitométrie Tirage des épreuves ■  procédés numériques Acquisition des images L'image numérique Logiciels Impression des photographies ■  caractéristiques physiques des images, densité, netteté Densitométrie Netteté des images ■  compléments techniques et pratiques Techniques scientifiques Techniques particulières Conditions particulières de prise de vues Finition et présentation des photographies Classement et archivage Installations photographiques ■  photographie et vie sociale, histoire, enseignement,institutions, droit... Histoire de la photographie Droit de la photographie Enseignement Métiers de la photographie Institutions, fondations, musées Manifestations publiques Salons Sociétés, organisations, éditeurs Prix et distinctions Photographie commerciale ■  personnalités A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z ■  glossaire A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z ■  annexes Bibliographie Modèles pour les pages Textes en attente

Le mot LASER est l'acronyme anglais de Light Amplifier by Stimulated Emission of radiations, c'est-à-dire Amplificateur de Lumière par Émission Stimulée de Radiations.

En photographie, l'utilisation des lasers concerne essentiellement l'holographie.

Principe de l'émission

Dans un atome, la transition d'un électron entre deux niveaux d'énergie E_j (excité) et E_i (non excité) s'accompagne, selon son sens, de l'absorption ou de l'émis­sion d'un photon de fréquence _Vij telle que h. V_ij = E_j - E_i. Si le rapport des populations d'ato­mes dans les états excités et non excités est faible, les photons sont libérés de façon aléatolre par émission spontanée.

Si au contraire, par un processus appelé « pompage optique », on excite suffisamment d'atomes pour que le rapport des deux populations soit supérieur à un seuil appelé condition d'accrochage, on assiste alors au phénomène d'émission stimulée : un photon V_ij frappant un atome excité provoque l'émission d'un autre photon rigou­reusement identique au premier, et ainsi de suite.

Réalisations

Le classique laser à rubis (cristal d'alumine Al₂O₃ dopé par quelques ions Cr⁺⁺⁺ remplaçant des ions Al⁺⁺⁺) comporte un bar­reau cylindrique dont les extrémités dressées avec très grand soin sont argentées pour for­mer une cavité résonante où les réflexions de la lumière provoqueront des ondes stationnai­res. L'une des argentures est semi-transparente pour assurer la sortie du faisceau lumineux. Le pompage est obtenu par l'éclair d'un flash qui excite les ions Cr⁺⁺⁺. Pendant l'éclair (environ 10^-3s), le barreau émet une série d'impulsions lumineuses irrégulières et brèves (10^-6s) .

• 
  schéma d'un laser à rubis

Le même laser peut être réalisé avec une émission déclenchée à l'aide d'un miroir tour­nant. Au lieu que la décharge se produise dès que le seuil est atteint, on excite beaucoup plus d'atomes avant que le miroir tournant ne vienne créer la résonance. La décharge est alors uni­que, beaucoup plus puissante et aussi plus brève (10^-8s ou moins). La "cadence de tir" est limitée par l'échauffement du barreau, car le rubis est très mauvais conducteur de la chaleur.

Avec un barreau de grenat d'yttrium-aluminium (YAG), bien meilleur conducteur, on peut obtenir des impulsions rapprochées ou même une émission continue. Le milieu actif peut aussi être un ion dissous (Nd⁺⁺⁺ dans POCl₃ à -150°C), un gaz (hélium-néon, argon ionisé, dioxyde de carbone ...).

On fabrique aujourd'hui toutes sortes de lasers, à semi-conducteurs, à colorants liquides, etc. Les diodes laser constituent la « population » la plus importante, on les trouve en particulier dans tous les lecteurs de cédéroms et de DVD.

• 
  Petit laser hélium-néon
• 
  Laser He-Ne
• 
  Installation de vélocimétrie laser
• 
  Effets laser durant un spectacle

Caractéristiques du rayonnement laser

Puissance émise

Elle varie de moins de 1 mW pour un petit laser continu à plusieurs GW en crête pour un laser à solide travaillant par impulsions. En fait les plus gros lasers ont une puissance de quelques dizaines de kW mais le moins que l'on puisse dire est qu'ils ne sont guère transportables.

Structure spatiale du faisceau

Le faisceau a la forme d'un cône très peu ouvert, dont la divergence ε (1/2 angle au sommet) est donnée en fonction du diamètre de sortie D et de la longueur d'onde λ par la formule :

$\epsilon ={\frac {\lambda }{D}}$ (en radians)

Si par exemple λ = 0,5 μm et D = 4 mm on trouve ε = 0,125 10^-3.

Ainsi, à 1 km du laser, le diamètre du faisceau n'atteint que 2 x 0,125 x 10^-3 = 0,25 m.

À l'aide d'un système optique approprié, on peut encore focaliser le faisceau jusqu'à ce que sa section ait une aire voisine de λ². En conser­vant les valeurs précédentes et en supposant que le laser émette des impulsions d'énergie W = 10 J, de longueur d'onde 0,5 μm et de durée t = 10^-9 s, on trouve :

• puissance en crête : P=W/t= 10¹⁰ W= 10⁴ MW (10 grosses tranches de centrales nucléaires !)

• longueur du train d'ondes : L = c.t = 0,3 m (on peut atteindre le mm)

• éclairement énergétique de la tache focale d'aire λ² :

${\frac {P}{\lambda ^{2}}}={\frac {10^{10}}{(0,5\times 10^{-6})^{2}}}={\frac {10^{10}}{0,25\times 10^{-12}}}=4\times 10^{22}\,W/m^{2}$

(à titre de comparaison l'éclairement maximal fourni par le soleil à midi est d'environ 10³ W/m², il s'agit pourtant ici d'un petit laser).

Le rayon laser peut donc « matérialiser » une direction de l'espace et transporter de l'énergie à très grande distance.

Structure temporelle du faisceau

Les fréquences émises sont comprises dans une bande très étroite qui rend le rayonnement pratiquement monochromatique (sauf pour les lasers à semi-conducteurs). La stabilité de fré­quence dépend des dimensions de la cavité résonante et devient mauvaise sous l'influence de facteurs tels que les vibrations ou les dilatations. La lumière est dite cohérente car, con­tralrement a ce qui se passe pour une source ordinaire où les photons sont émis à des ins­tants quelconques, ici les photons sont émis en phase. On pourrait représenter l'impulsion du laser pris en exemple comme formée de :

${\frac {L}{\lambda }}={\frac {300}{0,5\times 10^{-3}}}=600.000$ « paquets » de photons distants de la longueur d'onde λ.

Longueurs d'onde

On couvre actuellement un domaine allant de 337 μm (HCN gaz) à 0,1161 μm (H₂), donc du lointain infrarouge à l'ultraviolet (valeurs à actualiser éventuellement). Notons quelques valeurs :

H20 (vapeur)	118 μm et 28 μm (IR)
C02 (gaz)	10,6 μm (IR) - rendement jusqu'à 25 %
CO (gaz)	5,4 μm (IR)
He-Ne (gaz)	3,39 μm et 1,15 μm (IR), 0,6328 μm (rouge)
verre au néodyme	1,06 μm (IR)
rubis (solide)	0,6943 μm (rouge)
Kr+ (gaz)	0,5682 μm (jaune)
He-Cd+ (gaz)	0,4416 μm (bleu) et 0,3250 μm (UV)
N2 (gaz)	0,335 μm (UV)

Rayonnements électromagnétiques Définitions et vue d'ensemble (B) Histoire des théories de la lumière (ABC) La lumière (AB) Interactions de la matière et des rayonnements (B) Transmission, absorption et réflexion de la lumière (B) Rayons X et rayons gamma (C) Rayonnement lumineux thermique (B) Luminescence (B) Lasers (C)