Introduction partie laser

 

Les lasers sont présents partout dans notre vie quotidienne:  ils peuvent servir dans de nombreux domaines. Les lasers sont par exemple très présents dans la technologie moderne, comme  pour les lecteurs DVD, mais leur application ne s'arrête pas à un domaine technologique. Les lasers servent dans de nombreux domaines de la médecine, nous vous proposons de découvrir tout d'abord ce qu'est un  laser puis comment il fonctionne.

 

Les lasers utilisent la théorie selon laquelle la lumière serait composée de petites particules appelées photons qui transportent l'énergie ( théorie corpusculaire de la lumière ). Les lasers sont donc une application directe de la physique quantique.

Ce n'est qu'en 1905 qu'Einstein découvrit le principe des photons. Ce fut un grand pas pour l'invention des lasers qui ne se fera que vers 1950.

 

qu'est-ce qu'un laser?

 

 

Tout d'abord le terme "Laser" est un acronyme, il signifie en réalité Light amplifcation by stimulated emition of radiation. C'est donc, comme son nom l'indique un appareil permettant à partir d'une source primaire d'énergie( qui peut être diverse: champ électromagnétique, réactions chimiques...) de créer une lumière monochromatique qui a  donc un comportement bien différent de la lumière quand elle passe à travers un prisme : 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elle est émise sous forme de petit cylindre de la taille d'un fil de laine  qui peut avoir une longueur d'onde très différente.  Ainsi, ces lasers peuvent émettre une radiation de longueur d'onde  qui peut aller pour un laser banal de 700 nm jusqu'à ne plus être visible par l'homme (en dessous de 400 nm).  Etant donné que le domaine du visible par l'homme va de 400 nm jusque 800nm, ils sont donc extrèmement puissants. D'autre part, les lasers peuvent avoir une puissance peu importante comme très importante, mais ces derniers coûtent très chers et sont surtout utilisés dans la médecine. Par exemple, pour soigner  des anomalies de l'oeil par exemple corriger la myopie ou l'hypermétiopie en découpant une fine lamelle de l'oeil pour permettre d'effectuer un remodelage de la cornée et que le patient puisse se passer de lentilles. Pour les plus puissants, ils peuvent  servir dans l'industrie, pour découper de façon extrèmement précise des pièces de métal.

 

Un laser est essentiellement composé d'un milieu amplificateur. Dans ce milieu, on trouve des atomes, molécules, ions ou électrons dont les niveaux d'énergie sont utilisés pour dupliquer un photon incident. Pour la suite, nous allons considérer que seuls des atomes sont utilisés. Dans ce milieu amplificateur, il n'y a qu'un seul type d'atome, c'est pour cela que la lumière d'un laser est monochromatique, car la radiation correspond à une seule désexcitation de cet atome, ainsi quand on essaye de décomposer la lumière d'un laser, on obtient sur l'écran une tâche d'une seule couleur. De plus, pour les oscillateurs lasers(ceux que l'on appelle lasers et qui sont les plus courants), on trouve dans ce milieu deux miroirs: un totalement réfléchissant et un partiellement, de manière à laisser passer quelques photons mais pas tous, les autres vont servir à amplifier à nouveau l'énergie.  Un laser est aussi constitué d'une source de pompage qui sert à introduire de l'énergie dans ce milieu amplificateur et qui peut être diverse comme dis ci-dessus.

 

 

Comment fonctionne-t-il ?

 

 

 

Le principe d'un laser est simple: on éxcite des atomes grâce à une source de pompage à un niveau d'énergie, on envoie un photon sur un atome, qui le fait se déséxiter et qui du coup émet deux photons qui à leurs tour vont venir déséxiter d'autres atomes, ce qui amplifie donc l'énergie. Pour étudier comment cela se réalise, nous avons besoin de quelques notions:

 

L'absorption et l'émission :

 

Tout d'abord, il faut savoir qu'un atome, selon la physique quantique, a des niveaux d'énergie, qui correspondent à des états.

Il y a l'état fondamental, et les états éxcités, l'état fondamental est l'état de base d'un atome qui est stable, les états excités représentent des états instables.

Un atome a la capacité d'absorber de l'énergie, sous forme de quantas d'énergie que l'on appelle photons (et qui fût décoûvert par Einstein en 1905). Quand il absorbe un photon, cet atome peut s'éxiter, ( uniquement si la charge en énergie de ce photon est suffisante) à un niveau supérieur, il devient alors instable. La relation entre niveau d'énergie et longueur d'onde du rayonnement émis/absorbé est donné par la relation :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dans cette relation donnée ci dessus E represente l'energie d'un photo qui est exprimé en electron-volt (eV) ou  dans certains cas convertie en joule (J). H  represente la constante de planck comme il s'agit d'une constante elle a donc une valeur fixe qui est de 6.62x10^-34 J/S enfin v (nu en grec) represente la frequence et elle s'exprime en hertz (hz)

 

 

Une fois que cet atome a absorbé de l'énergie et qu'il est exité, il est instable,  il est donc suceptible, et cherchera à le faire,  d'émettre une radiation pour se déséxiter et revenir à son état stable (état fondamental), c'est ce que l'on appelle l'émission.

Cette émission peut être provoquée par un photon incident, c'est ce que l'on appelle l'émission stimulée et c'est celle qui est utilisée pour le laser. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

un photon incident  a autant de chance d'être absorbé par un atome du niveau du bas que de servir à l'émission stimulée avec un atome du niveau du haut. L'absorption et l'émission stimulée sont soumis aux mêmes probabilités. Pour favoriser l'émission stimulée au lieu de l'absorption, on joue sur les populations des niveaux d'énergie:  il faut s'arranger pour avoir plus d'atomes sur le niveau du haut que sur le niveau du bas pour avoir plus d'émission stimulée que d'absorption.

C'est ce que l'on appelle le pompage: 

Le but est d'amener de l'énergie dans le milieu amplificateur pour éxiter les atomes 

 

Exemple : 

 

Prenons 3niveaux d'énergie: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Considérons un atome avec 4 niveaux d'énergie: 1 niveau fondamental et 3niveaux éxités : 

 

Le but du pompage est d'avoir beaucoup d'atomes à un niveau d'énergie E2, le principe du pompage est d'envoyer un photon qui va éxiter les atomes jusqu'au niveau E3. L'atome doit rapidement se désexiter au niveau E2 et seulement à celui-là. Il y a donc eu inversion de population, ensuite on envoie un photon sur ces atomes, l'émission stimulée duplique ce photon et ainsi en crée beaucoup, le miroir reflette ces photons qui à leur tour vont désexiter d'autres atomes. Le miroir semi-réfléchissant va laisser passer seulement un peu de photons pour qu'il y en aie encore et que l'émission stimulée fonctionne toujours. Le pompage fonctionne en permanence et permet d'avoir tout le temps plus d'atomes éxités que de non exités.