Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Lasers

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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) .

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  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.

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  Petit laser hélium-néon
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  Laser He-Ne
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  Installation de vélocimétrie laser
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  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)

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