Le mot "laser" provient d'un sigle formé à partir des mots anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de radiation). Le premier laser à rubis fut réalisé en 1954 par l'américain Maiman. Cet appareil a trouvé aujourd'hui de multiples applications dans la vie courante : Découpe, pointage, soudure, hologramme, guidage, télémétrie, chirurgie, impression, ordinateur optique, lecture de disque, de code barre, sans oublier les armes étudiées par l'armée, qui feront un jour de la guerre des étoiles une réalité.

Principe du laser.

Le laser peut être considéré comme un générateur d'ondes monochromatiques possédant des caractéristiques intéressantes de directivité, d'intensité et de cohérence de phases. Dans n'importe quel milieu, les atomes, les molécules ou les ions passent en permanence d'un niveau d'énergie à un autre en émettant ou en absorbant à chaque fois des photons. L'énergie de ces photons est égale à la différence entre les deux niveaux. Partant de ce principe, on peut, en envoyant une lumière excitatrice possédant une fréquence donnée, diriger les atomes et les obliger à émettre des photons ayant la même fréquence que la lumière excitatrice. La lumière émise sera alors en cohérence avec la lumière originelle. Dans un milieu naturel les atomes possédant un niveau d'énergie bas sont plus nombreux que ceux possédant des niveaux supérieurs. Ils auront donc tendance à absorber les photons apportés par la lumière excitatrice et l'émission de lumière cohérente sera très faible. Pour palier cet inconvénient, on pratique ce qu’on appelle une inversion des populations en augmentant artificiellement le nombre d'atomes en état d'énergie élevée. Cette inversion est notamment obtenue grâce au système de pompage optique. Quelle que soit sa puissance, un laser se compose toujours d'un milieu actif contenu dans une cavité résonante délimitée par deux miroirs. Le milieu actif peut être constitué d'ions métalliques noyés dans une matrice cristalline (laser à rubis), d'ions de terres rares en solution dans un liquide, d'un gaz à faible pression (hélium-néon, argon, gaz carbonique), ou d'un matériau semi-conducteur (arséniure de gallium). Les deux miroirs d'un laser se regardent, mais l'un n'est que partiellement réfléchissant afin de permettre à la lumière de sortir du laser. Une intense source de lumière comparable à celle d'un flash provoque l'excitation des électrons à haute énergie disséminés dans la matrice, qui se désexcitent en émettant des photons de même longueur d'onde. Réfléchis par les miroirs, ces photons traversent le matériel actif plusieurs fois. A chaque passage, de nouveaux photons s'ajoutent au rayon lumineux qui, arrivé à une certaine intensité, sort à travers le miroir semi-réfléchissant, produisant un faisceau de rayons laser. Il se présente sous la forme d'un cylindre d'un diamètre de quelques millimètres. Il peut être focalisé jusqu'à un diamètre minime, de l'ordre de la longueur d'ondes, ce qui permet des densités d'éclairement très fortes. La fréquence d'un faisceau laser est comprise entre celle de l’ultraviolet et celle de l’infrarouge lointain. Bien que les lasers n'émettent pas tous un rayonnement visible à l'oeil nu (4OO-75O nm), le laser est considéré malgré tout comme une source lumineuse et son rayonnement est appelé lumière laser.

Les propriétés de ce faisceau de lumière cohérente ont permis de l'utiliser dans des domaines divers et nombreux. Si on laisse de côté l'holographie qui permet de restituer d'un objet une image en trois dimensions mais dont les applications sont pour l'instant réduites, les utilisations du laser peuvent se regrouper en trois catégories : mesures, transmission et chauffage.

Mesures et contrôles.

Le faisceau laser permet à la fois des mesures à très longue distance et des mesures rapprochées très précises. Son parallélisme et sa faible dispersion lui donnent une énergie détectable à grande distance. Ensuite sa lumière monochromatique est parfaite pour des mesures d'interférométrie. A titre d'exemple, il a suffit de diriger un faisceau laser sur un réflecteur placé sur la Lune par les astronautes en 1969, pour connaître la distance Terre-Lune avec une précision de l'ordre de 10 centimètres, par simple mesure du temps mis par la lumière pour faire l'aller retour. C'est ainsi l'instrument idéal pour mesurer via l'espace les mouvements de la croûte terrestre, et surveiller par exemple les volcans.

Chauffage : Le faisceau laser focalise des énergies de plusieurs kilowatts avec une extrême précision. Il permet donc de chauffer un espace de dimension très réduite. Dans l'industrie textile, il accomplit des découpes précises et sa vitesse est bien supérieure à celle du couteau électrique (200 mètres/minute pour le laser contre 80 pour le couteau). Pour découper ou usiner l'acier, on utilise des lasers à haute énergie, lasers solides (YAG continu), lasers à gaz carbonique ou diodes laser de puissance. Le laser Yag est aujourd'hui employé dans le nettoyage des moules industriels. Bien réglée, une impulsion laser sur la surface encrassée provoque une petite impulsion due à la formation d'une goutte de plasma. L'onde de choc associée fait voler en éclat la saleté. Cette propriété s'applique aussi pour le nettoyage des façades des monuments historiques (laser LAMA) où le laser remplace efficacement les méthodes traditionnelles (microsablage, nébulisation, nettoyage chimique). Le laser trouve aussi des applications dans le domaine médical où il remplace avec avantage le bistouri. Il est surtout utilisé en micro chirurgie, notamment en chirurgie oculaire.

Transmissions: La lumière laser peut servir d'onde porteuse pour transmettre de l'information. On peut réaliser un laser avec n'importe quel matériau présentant des niveaux d'énergie intéressants, dont les semi-conducteurs, pièce maîtresse de l'électronique bien qu'ils donnent des lasers peu puissants mais intéressants par leur extrême petitesse. De la rencontre des propriétés du laser et de celles des microprocesseurs est née une nouvelle discipline, l'optoélectronique, qui étudie les possibilités d'interaction des semi‑conducteurs avec la lumière. Si l'ordinateur optique et la télévision en relief ne sont pas encore sortis des laboratoires, les télécommunications ont déjà pu bénéficier des avantages du laser, idéal pour le transport d'images qui nécessitent un grand débit d'informations. Que ce soit par faisceau dirigé vers un satellite de communication ou dans des tubes en fibre optique, les transmissions lumineuses par laser ont un bel avenir. Elles sont en fait déjà très présentes dans la vie courante : disques compacts audio ou vidéo, CD

ROM, sont lus par faisceau laser, tout comme les codes barres qui permettent l'identification d'un produit.

La lumière, particule et onde.

Bien que l'énergie atomique soit plus impressionnante, le laser constitue la plus remarquable application technique des connaissances acquises par la physique au cours du vingtième siècle. Sa conception dérive de la théorie d'Einstein selon laquelle la lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde. Son rayonnement est donc aussi énergie, sa "matière" étant appelée photon.

D'où viennent les photons ?

Le modèle atomique de Bohr, physicien quantique du début du siècle, apporte la réponse. Dans un atome, le noyau est entouré d'électrons tournant en orbite, dont le niveau d'énergie augmente avec la distance. Lorsqu'un électron "saute" à une orbite plus basse, l'énergie excédentaire est émise sous forme de photon. C'est la lumière "spontanée".

Laser et fusion nucléaire.

Une des utilisations les plus prometteuses du laser concerne le domaine de la fusion nucléaire. Lui seul en effet peut permettre d’atteindre, par le confinement inertiel, la température et la pression nécessaire à la transformation des billes de deutérium - tritium en un plasma où pourra se produire la fusion des noyaux des atomes.