Laser rouge (660 & 635 nm), vert (532 & 520 nm) et bleu (445 & 405 nm)

Rayon laser à travers un dispositif optique

Démonstration de laser hélium-néon au laboratoire Kastler-Brossel à l'Université Pierre-et-Marie-Curie.

Un laser (acronyme de l'anglais light amplification by stimulated emission of radiation) est un appareil qui produit un rayonnement spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. Descendant du maser, le laser s'est d'abord appelé maser optique.

Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, encore appelée résonateur, généralement constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des deux est partiellement réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extrêmement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent que le rayonnement émis soit d'une grande pureté spectrale, c’est-à-dire temporellement cohérent. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des longueurs d'ondes définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'émission spontanée au sein de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde.

Au XXI siècle, le laser est plus généralement vu comme une source possible pour tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent même à s'appliquer aux rayons X.

Histoire

Coupe d'un laser rubis

Le principe de l’émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. En 1950, Alfred Kastler (lauréat du prix Nobel de physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qu'il valide expérimentalement, deux ans plus tard, avec Brossel et Winter. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier maser (au gaz ammoniac) est conçu par J. P. Gordon, H. J. Zeiger et Ch. H. Townes. Au cours des années suivantes, de nombreux scientifiques tels N. G. Bassov, Alexandre Prokhorov, Arthur Leonard Schawlow et Charles H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. Townes, Bassov, et Prokhorov partagent le Prix Nobel de Physique en ** pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui mènent à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du Maser-Laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide.

Les lasers trouvent très tôt des débouchés industriels. La première application fut réalisée en 1965 et consistait à usiner un perçage de 4,7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant avec un laser à rubis. Cette opération était réalisée en 15 min, alors qu’une application classique prenait 24 heures.

En 1967, Peter Holcroft découpe une plaque d’acier inoxydable de 2,5 mm d'épaisseur à une vitesse de 1 m/min, sous dioxygène avec un laser CO₂ de 300 W et conçoit la première tête de découpe.

Dans la même période en 1963 des chercheurs américains tels que White et Anderholm montrent qu’il est possible de générer une onde de choc à l’intérieur d'un métal à la suite d'une irradiation laser impulsionnelle. Les pressions exercées sont de l’ordre de 1 GPa, ou 3 FPs.

Bien que les procédés soient démontrés, il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu’ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 1970. Et les premières plates-formes industrielles sont implantées en France dès les années 1980. Dès lors le laser s'impose comme un outil de production industrielle dans le micro-usinage. Ses principaux avantages sont un usinage à grande vitesse de l'ordre de 10 m/min, sans contact, sans usure d'outil.

Le laser devient un moyen de lecture en 1974, avec l'introduction des lecteurs de codes barres. En 1978, les laserdiscs sont introduits, mais les disques optiques ne deviennent d'usage courant qu'en 1982 avec le disque compact. Le laser permet alors de lire un grand volume de données.

Principe de fonctionnement

Animation montrant le principe de fonctionnement simplifié d'un laser

Principe de fonctionnement du laser : 1 - milieu excitable 2 - énergie de pompage 3 - miroir totalement réfléchissant 4 - miroir semi-réfléchissant 5 - faisceau laser

Phénomènes mis en jeu (qualitatif)

Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l'on considère l'image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.

Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n {\displaystyle n} , pouvant prendre les valeurs 1 {\displaystyle 1} , 2 {\displaystyle 2} , ... L'état n = 1 {\displaystyle n=1} est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau.

Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée.

L’absorption — Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n {\displaystyle n} à un état n ′ > n {\displaystyle n'>n} , en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement ω {\displaystyle \omega } doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par ℏ ω n n ′ = ( E n ′ − E n ) {\displaystyle \hbar \omega _{nn'}=(E_{n'E_{n})} , où E n ′ > E n {\displaystyle E_{n'}>E_{n}} sont les énergies des états n ′ {\displaystyle n'} et n {\displaystyle n} . On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ℏ ω = h ν {\displaystyle \hbar \omega =h\nu } ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie E n {\displaystyle E_{n}} vers le niveau d'énergie E n ′ {\displaystyle E_{n'}} . La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.

Le phénomène d'absorption. Le photon d'énergie ${\displaystyle h\nu }$ fait passer l'atome de son état fondamental 1 vers l'état excité 2

L’émission stimulée — Un atome dans l'état n ′ {\displaystyle n'} peut se « désexciter » vers le niveau n {\displaystyle n} sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est possible que si la fréquence du rayonnement ω {\displaystyle \omega } est proche de la fréquence de Bohr ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie ℏ ω {\displaystyle \hbar \omega } qui vient s'« ajouter » au rayonnement.

Le phénomène d'émission stimulée. La désexcitation de l'atome est stimulée par l'arrivée du photon incident. Le photon émis vient s'ajouter au champ incident : il y a amplification

L’émission spontanée — Ce processus est le symétrique de l'absorption : un atome dans un état excité n ′ {\displaystyle n'} peut se désexciter vers un état n {\displaystyle n} , même en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire avec une phase aléatoire, et sa fréquence est égale à la fréquence de Bohr ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie ℏ ω n n ′ {\displaystyle \hbar \omega _{nn'}} dans une direction aléatoire.

Le phénomène d'émission spontanée. La désexcitation de l'atome se produit de façon spontanée et s'accompagne de l'émission d'un photon dans une direction aléatoire

Inversion de population (qualitatif)

Considérons un ensemble d'atomes à deux niveaux. Si on envoie un champ sur un ensemble d'atomes dans l'état "haut", le phénomène privilégié sera l'émission stimulée et le champ sera amplifié. Pour réaliser un amplificateur optique, il faut donc trouver le moyen d'exciter les atomes vers l'état d'énergie supérieure. De façon plus générale, si certains atomes sont dans l'état fondamental "bas", des photons peuvent être également absorbés, ce qui diminue l'intensité du champ. Il n'y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état "haut" (susceptible d'émettre) que dans l'état "bas" (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une « inversion de population ».

Cependant, à l'équilibre thermodynamique, l'état le plus bas est toujours le plus peuplé. Au mieux, les populations oscillent entre les deux niveaux (Oscillations de Rabi). Pour maintenir une inversion de population, il est nécessaire de fournir constamment un apport d'énergie extérieure aux atomes, pour ramener dans l'état supérieur ceux qui sont repassés dans l'état fondamental après l'émission stimulée : c'est le « pompage ». Les sources d'énergie extérieures peuvent être de différents types, par exemple un générateur électrique, ou un autre laser (pompage optique). L'amplificateur est donc un ensemble d'atomes ou molécules que l'on fait passer d'un état fondamental ou faiblement excité n {\displaystyle n} à un état plus fortement excité n ′ {\displaystyle n'} , au moyen d'une source d'énergie extérieure (pompage). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n {\displaystyle n} , en émettant des photons de fréquence proche de ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . Ainsi un rayonnement de fréquence ω ≃ ω n n ′ {\displaystyle \omega \simeq \omega _{nn'}} passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d'émission stimulée.

Physique de l'effet laser : interaction lumière/matière

Pour obtenir les équations détaillées de l'effet Laser puis de la cavité Laser elle-même, il est nécessaire de faire appel de manière plus quantitative à la physique quantique. Il existe alors deux degrés de quantification dans l'interaction lumière (faisceau laser)/matière (atomes de la cavité), qui chacun, permettent de mieux comprendre la physique de l'effet laser :

modèle semi-classique : quantification des atomes mais champ électromagnétique classique pour la lumière ;

modèle complètement quantique : quantification des atomes et de la lumière (seconde quantification).

Interaction semi-classique : compréhension générale de l'effet laser

Le modèle semi-classique permet à lui-seul de comprendre d'où vient l'effet Laser et d'obtenir les "équations de taux" qui régissent les populations d'atomes au sein de la cavité Laser.

Interaction atome quantifié/champ classique

Les atomes étant quantifiés, le formalisme de la mécanique hamiltonienne est nécessaire. Dans l'approximation d'un système à deux niveaux d'énergie pour les atomes, l'effet du champ électrique extérieur (la lumière, considérée comme monochromatique de pulsation ω {\displaystyle \omega } ) consiste en des Oscillations de Rabi des atomes entre ces deux niveaux.

Ces oscillations engendrées par la lumière sont la conséquence directe de la compétition entre l'émission stimulée et le phénomène d'absorption décrits plus haut, et sont décrites par la probabilité pour un atome présent en ${\displaystyle \mathbf {r} _{0}}$ de passer de ${\displaystyle E_{1}}$ au temps ${\displaystyle t_{0}}$ à ${\displaystyle E_{2}}$ au temps t :

où ${\displaystyle \Omega _{1}^{2}=2\left({\dfrac {d}{\hbar }}\right)^{2}I(\mathbf {r} _{0})}$, avec I, l'intensité du champ électrique incident et d, la valeur du dipôle atomique ;

et ${\displaystyle \delta =\omega -\omega _{0}}$ avec ${\displaystyle \hbar \omega _{0}=E_{bE_{a}}$

Ainsi, ce modèle semi-classique ne permet pas d'obtenir l'inversion de population nécessaire à l'effet laser : ces oscillations sinusoïdales montrent que le système "ne choisit pas" entre l'émission stimulée et l'absorption.

Si l'on veut expliquer l'effet laser tout en gardant ce modèle semi-classique, il faut donc introduire de manière ad hoc l'émission spontanée qui ne peut être expliquée sans seconde quantification.

Compréhension du phénomène d'absorption (modèle de Lamb)

Inversion de population

Dans le cas d'un modèle de transition entre 2 niveaux bas et haut, notés respectivement ${\displaystyle N_{1}}$ et ${\displaystyle N_{2}}$, la population de l'état haut doit être supérieure à la population de l'état bas pour qu'il y ait emission : ${\displaystyle N_{1}\leq N_{2}}$.

L'évolution de la population de l'état haut est donnée par une loi de décroissance exponentielle : ${\displaystyle N_{2}(t)=N_{2,initial}\times e^{-At}}$ .

Fonctionnement de la cavité laser

Pour un matériau donné, la différence de population entre l'état haut et l'état bas Δ N = N 2 − N 1 {\displaystyle \Delta N=N_{2N_{1}} donne le caractère du milieu vis à vis du pompage optique : si Δ N > 0 {\displaystyle \Delta N>0} le milieu est amplificateur, si Δ N < 0 {\displaystyle \Delta N<0} le milieu est absorbant et dans le cas Δ N = 0 {\displaystyle \Delta N=0} le milieu est transparent. Un laser ne lase que dans le cas où le milieu est amplificateur.

Principe général

Un laser est donc, fondamentalement, un amplificateur de lumière dont la sortie est réinjectée à l'entrée. Son alimentation en énergie est la source du pompage, la sortie est le rayonnement laser qui est réinjecté à l'entrée par les miroirs de la cavité résonnante, le mécanisme de l'amplification étant l'émission stimulée.

Principe de fonctionnement d'un laser

On peut comparer ce processus à l'effet Larsen, qui se produit lorsqu'un amplificateur (la chaîne HiFi) voit sa sortie (le haut-parleur) « branchée » sur l'entrée (le micro). Le moindre bruit capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, ré-amplifié jusqu'à la saturation du système (quand celui-ci fournit l'énergie maximum possible de par sa conception). Dans un laser, cette énergie maximale est limitée par la puissance de la source de pompage, et par le nombre d'atomes qui peuvent être simultanément excités.

Dans l'effet Larsen, la fréquence du son produit dépend du spectre des fréquences amplifiées correctement par l'amplificateur et du temps que met le son pour parcourir la boucle sonore (qui n'est pas une valeur unique étant donné que le local induit diverses réflexions et des trajets sonores de longueur différente). Dans un laser, il se passe la même chose si ce n’est que le spectre de l'amplificateur n'est pas une plage la plus plate possible mais est restreint aux bandes de fréquences correspondant aux niveaux d'excitation des différents atomes présents, et la boucle correspond à la longueur de la cavité résonante.

Stabilité d'une cavité laser : conditions sur le gain

Exemple de cavité laser à 3 miroirs

Le gain d'un laser à ${\displaystyle N}$ miroirs notés ${\displaystyle M_{1},M_{2},...,M_{N}}$ de coefficients de réflexion respectifs ${\displaystyle R_{1},R_{2},...,R_{N}}$ contenant un matériau amplificateur pompé de gain ${\displaystyle G}$ est donné par l'évolution de l'intensité dans la cavité itération après itération. Si à un instant ${\displaystyle t_{0}}$ l'intensité dans la cavité vaut ${\displaystyle I_{0}}$ alors après un tour de cavité l'intensité vaut ${\displaystyle I_{1}=I_{0}\times G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}}$

On peut alors distinguer 3 cas selon la valeur de ${\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}}$ :

Si G × ∏ j = 1 n R j < 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}<1} alors l'intensité diminue à chaque tour de cavité laser et il n'y a pas d'émission laser

Si G × ∏ j = 1 n R j = 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}=1} alors l'intensité reste stable et l'oscillation est entretenue

Si G × ∏ j = 1 n R j > 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}>1} alors l'intensité augmente jusqu'à atteindre une valeur de saturation.

Stabilité d'une cavité laser : conditions sur le front d'onde

Conditions de stabilité d'une cavité laser à 2 miroirs

Conditions d'instabilité d'une cavité laser à 2 miroirs

Une cavité laser est considérée stable si le front d'onde peut se propager sans déformation . Dans le cas d'une cavité laser à 2 miroirs, les conditions de stabilité d'un laser sont liées à la distance L {\displaystyle L} entre les miroirs de la cavité par rapport aux rayons de courbure des 2 miroirs. Pour 2 miroirs de rayons de courbure respectifs R c 1 {\displaystyle R_{c1}} et R c 2 {\displaystyle R_{c2}} avec R c 1 ≤ R c 2 {\displaystyle R_{c1}\leq R_{c2}} , pour un faisceau gaussien :

La cavité est stable si 0 ≤ L ≤ R c 1 {\displaystyle 0\leq L\leq R_{c1}} ou bien R c 2 ≤ L ≤ R c 1 + R c 2 {\displaystyle R_{c2}\leq L\leq R_{c1}+R_{c2}}

La cavité est instable si R c 1 < L < R c 2 {\displaystyle R_{c1} R c 1 + R c 2 {\displaystyle L>R_{c1}+R_{c2}}

Équations de taux

Description d'un système à 2 niveaux pour l'écriture des équations de taux

Les équations de taux (Rate equations en anglais) désignent des équations de conservation de population des états haut et bas respectivement. Elles établissent que la variation de la population d'un état correspond à la différence entre la quantité d'atomes qui rejoint cet état et la quantité d'atomes qui changent d'état.

Dans le cas particulier d'un système à 2 niveaux, pour les deux états haut et bas ( N 2 {\displaystyle N_{2}} et N 1 {\displaystyle N_{1}} ), en considérant un terme d'émission spontanée de probabilité A {\displaystyle A} , et un terme de pompe de probabilité σ p I p {\displaystyle \sigma _{p}I_{p}} où σ p {\displaystyle \sigma _{p}} désigne la section illuminée par le flux de pompe et I p {\displaystyle I_{p}} désigne l'intensité du flux de pompe, alors :

${\displaystyle {\frac {dN_{1}}{dt}}(t)=\sigma _{p}I_{p}N_{2}(t)+AN_{2}(t)-\sigma _{p}I_{p}N_{1}(t)}$

et ${\displaystyle {\frac {dN_{2}}{dt}}(t)=\frac {dN_{1}}{dt}}(t)}$

Laser en régime stationnaire (laser continu)

Dynamique des lasers (laser en impulsion)

Types de laser

On classe les lasers selon six familles, en fonction de la nature du milieu excité. Par ailleurs, les lasers peuvent être aussi bien continus que fonctionner dans un régime impulsionnel, auquel cas on pourra les qualifier également selon la durée caractéristique de leurs impulsions (lasers continus / lasers picosecondes / lasers femtosecondes).

Cristallins (à solide, ou ioniques)

Cristal de titane saphir pompé par un laser vert.

Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion Cr. D'autres ions sont très utilisés (la plupart des terres rares : Nd, Yb, Pr, Er, Tm..., le titane et le chrome, entre autres). La longueur d'onde d'émission du laser dépend essentiellement de l'ion dopant, mais la matrice influe aussi. Ainsi, le verre dopé au néodyme n'émet pas à la même longueur d'onde (1 053 nm) que le YAG dopé au néodyme (1 0** nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes—millionième de milliardième de seconde). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible, le proche infrarouge que l'ultraviolet.

Le milieu amplificateur peut être un barreau dans le cas d'un laser Nd-YAG (donc dopé au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre (donc dopé au Yb et la matrice est en silice). Aujourd'hui, le milieu amplificateur le plus utilisé pour générer des impulsions femtosecondes est le saphir dopé titane. Il possède deux bandes d'absorption centrées à 488 et 560 nm. Il possède un large spectre d'émission centré à 800 nm.

Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable, ces lasers permettent d'obtenir des puissances de l'ordre du kW en continu et du GW en pulsé. Ils sont utilisés pour des applications tant scientifiques qu'industrielles, en particulier pour la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.

À colorants (moléculaires)

Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant organique (rhodamine 6G par exemple) en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur, ce qui rend ce type d'appareil très précis. Le choix du colorant détermine essentiellement la gamme de couleur du rayon qu'il émettra. La couleur (longueur d'onde) exacte peut être réglée par des filtres optiques.

À gaz (atomiques ou moléculaires)

Le milieu générateur de photons est un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très peu étendue. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium-néon (rouge à 632,8 nm), utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles.

Les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 10 W. C'est le marquage laser le plus utilisé dans le monde. Le laser CO2 (infrarouge à 10,6 µm) peut être, par exemple, utilisé pour la gravure ou la découpe de matériaux.

Il existe aussi une sous-famille des lasers à gaz : les lasers excimers qui émettent dans l'ultraviolet. Dans la majorité des cas, ils sont composés d'au moins un gaz noble et habituellement d'un gaz halogène. Le terme « excimer » vient de l'anglais excited dimer qui signifie une molécule excitée composée de deux atomes identiques (ex. : Xe2). Or certains lasers dits excimères utilisent des exciplexes qui sont des molécules composées de deux atomes différents (par exemple, gaz noble et halogène: ArF, XeCl). On devrait donc les nommer lasers exciplexes plutôt que lasers excimères. L'excitation électrique du mélange produit ces molécules exciplexes qui n’existent qu'à l'état excité. Après émission du photon, l'exciplexe disparait car ses atomes se séparent, donc le photon ne peut être réabsorbé par l'excimer non excité, ce qui permet un bon rendement au laser.

Exemple : Lasik

Diode laser

Dans une diode laser (ou laser à semi-conducteur), le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous (un trou est une zone du cristal avec une charge positive car il manque un électron) d'un côté et en électrons supplémentaires de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Souvent, ce type de laser ne présente pas de miroirs de cavité : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un coefficient de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser.

C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaires) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : tout d'abord, il permet un couplage direct entre l'énergie électrique et la lumière, d'où les applications en télécommunications (à l'entrée des réseaux de fibres optiques). De plus, cette conversion d'énergie se fait avec un bon rendement (de l'ordre de 30 à 40 %). Ces lasers sont peu coûteux, très compacts (la zone active est micrométrique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilisés et les moins coûteux . Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), télécommunications, imprimantes, dispositifs de « pompage » pour de plus gros lasers (de type lasers à solide), pointeurs, etc. Noter que la réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres.

Ils ont quelques inconvénients tout de même, la lumière émise étant en général moins directionnelle et moins « pure » spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz en particulier) ; ce n'est pas un problème dans la majorité des applications.

Un dispositif très proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL : le dispositif de pompage est le même, mais la production de lumière n'est pas stimulée, elle est produite par désexcitation spontanée, de sorte que la lumière produite ne présente pas les propriétés de cohérence caractéristiques du laser.

À électrons libres (LEL)

Ce type de laser est très particulier, car son principe est tout à fait différent de celui exposé plus haut. La lumière n'y est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un rayonnement synchrotron produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique périodique (grâce à un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifié et devient cohérent, c’est-à-dire qu'il acquiert les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers.

Il suffit de régler la vitesse des électrons pour fournir une lumière de fréquence ajustée très finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge lointain (térahertz) aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux élevés. On peut également disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus coûteux à produire car il est nécessaire de construire un accélérateur de particules.

À fibre

Ce type de laser ressemble au laser solide. Ici le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions de terres rares. La longueur d'onde obtenue dépend de l'ion choisi (Samarium 0,6 µm; Ytterbium 1,05 µm; Erbium 1,55 µm; Thulium 1,94 µm; Holmium 2,1 µm). Cette technologie est relativement récente (le premier date de 19**), mais il existe aujourd'hui des lasers monomodes dont la puissance est de l'ordre de la dizaine de kilowatts. Ces lasers ont l'avantage de couter moins cher, de posséder un encombrement réduit et d'être résistant aux vibrations. Par ailleurs il n'est pas nécessaire de les refroidir en dessous de 10 kW.

Téramobile

Le laser téramobile est un dispositif mobile qui délivre des impulsions laser ultrapuissantes et ultrabrèves. Le laser téramobile peut servir à détecter et mesurer des polluants atmosphériques ou à frayer à la foudre un chemin rectiligne.

Sécurité

Symbole de danger

Laser vert classe IIIB contre classe IIIR

Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine. Pour des questions de sécurité, la législation française interdit l'utilisation de lasers de classe supérieure à 2 en dehors d'une liste d'usages spécifiques autorisés.

La nouvelle norme :

Classe 1 : lasers sans danger, à condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables prévisibles (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD).

Classe 1M : lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instruments optiques, peut être dangereuse.

Classe 1C : appareil à laser destiné à être appliqué en contact avec la cible prévue, les protections empêchant la fuite d'un rayonnement. Le laser inclus dans l'appareil peut cependant être de classe supérieure. La cible peut être la peau humaine (exemple : épilateur laser).

Classe 2 : lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. La protection de l’œil est normalement assurée par les réflexes de défense comprenant le réflexe palpébral, clignement de la paupière (par exemple, des lecteurs de code-barres).

Classe 2M : lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instrument optiques, peut être dangereuse (exemples : loupes et télescopes).

Classe 3R : lasers dont l’exposition directe dépasse l’EMP (Exposition Maximale Permise) pour l’œil, mais dont le niveau d’émission est limité à cinq fois la LEA (Limite d’Émission Accessible) des classes 1 et 2. L'exposition peut-être dangeureuse pour une exposition oculaire dans la condition la plus défavorable.

Classe 3B : laser dont la vision directe du faisceau est toujours dangereuse. La vision de réflexions diffuses est normalement sans danger.

Classe 4 : lasers qui sont aussi capables de produire des réflexions diffuses dangereuses. Ils peuvent causer des dommages sur la peau et peuvent également constituer un danger d’incendie. Leur utilisation requiert des précautions extrêmes.

Les classes ont été déterminées en fonction des lésions que peut provoquer un laser, elles varient en fonction de la fréquence du laser. Les lasers infrarouge (IR B et IR C) et ultraviolet (UV) provoquent des lésions de la cornée, du cristallin ou des lésions superficielles de la peau, tandis que les lasers visible et proche infrarouge (IR A) peuvent atteindre la rétine et l'hypoderme.

Dans le domaine visible, pour un laser continu, les classes sont :

Classe 1 : jusqu'à 0,39 µW.

Classe 2 : de 0,39 µW à 1 mW.

Classe 3R : de 1 à 5 mW.

Classe 3B : de 5 à 500 mW.

Classe 4 : au-delà de 500 mW.

Applications

Les applications lasers utilisent les propriétés de cohérence spatiale et temporelle du laser. Elles peuvent être classées plus ou moins en fonction de la réflexion ou de l'absorption du laser. Ainsi, deux grandes familles apparaissent, celle contenant des applications de transfert d'information, et celle traitant d'un transfert de puissance.

Transfert d'information

Holographie

Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc…)

Électrophotographie (ou « xérographie »), procédé des imprimantes laser

Télécommunications via réseaux de fibres optiques

Transmission inter-satellitaire

Désignateur laser de cibles lors d'attaques aériennes

Métrologie

Télédétection

Collimation d'instrument optique (exemple : télescope newton)

Granulométrie et vélocimétrie

Mesure de distance (télémétrie par interférométrie)

Vibrométrie

Étude de l'atmosphère (Lidar)

Métrologie des fréquences optiques

Caractérisation des matériaux par ellipsométrie ou spectroscopie

Visualisation d'ecoulements (tomographie laser)

Transfert de puissance

Refroidissement d'atomes par laser

Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP)

Centrale solaire orbitale

Transmission d'énergie sans fil

Procédés laser et matériaux

Fusion superficielle de matériaux

Soudure de matériau homogène ou hétérogène

Découpe

Perçage par percussion mécanique

Fabrication additive

Décapage de surface

Durcissement de surface

Choc par ablation laser (test d'adhérence à l'interface de matériaux hétérogènes…)

Dopage laser des semi-conducteurs

Interaction laser/matière : phénomènes physiques

Photoacoustique

Acousto-optique (voir aussi Modulateur acousto-optique)

Fluorescence induite par laser

Diffusion dynamique de la lumière

Accélération laser-plasma

Applications médicales

Ophtalmologie

Dermatologie : épilation laser, détatouage laser, ...

Dentisterie : laser dentaire Erbium, laser dentaire YAP

Physiothérapie (débridement)

Trépanation

traitement de certains types de douleurs avec un laser basse énergie : l'efficacité semble probante mais le mécanisme d'action reste inconnu.

Urologie : traitement de l'hypertrophie bénigne de la prostate, destruction de calculs urinaires, destruction de tumeurs urothéliales, destruction de condylomes

Nucléaire

Fusion nucléaire contrôlée laser Mégajoule

Applications militaires

Un ZEUS-HMMWV Laser Ordnance Neutralization System (en) détruisant un engin explosif improvisé.

Armes anti-satellite, anti-missile, incapacitantes, déminage... (Boeing YAL-1 ; IDS dit Programme StarWars)

Pod de désignation laser

Aide à la visée

Applications policières

Utilisation pour la détection d'empreintes latentes dans le domaine de la criminalistique

Cinémomètre laser portable et autonome qui permet de détecter la vitesse des véhicules dans le domaine de la sécurité routière

Show Laser, effet volumétrique

Artistique

Spectacle « son et lumière »

Harpe laser

Projection d'image sur écran dans les salles de cinéma numérique

红（660 & 635nm）、绿（532 & 520nm）、蓝紫（445 & 405nm）可见激光

激光（英语：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER，或简称为laser；字面意思为“辐射的光放大”），又称镭射、雷射，指通过辐射而产生，放大的光。特点包括发散度极小，亮度（功率）可以达到很高等。产生激光需要“激发来源”，“增益介质”，“共振结构”这三个要素。

历史

美国NIF国家点火设施。意图用多束雷射集中高温产生可控核融合 爱因斯坦在1930年代描述了原子的受激辐射。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转（或译居量反转）的状态。在一个二级系统中，这是不可能的。人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。 1958年，美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文，并分别获得19**年和1981年的诺贝尔物理学奖。 肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。 1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。他的方案是，利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉，当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，这称为红宝石激光。当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。 半导体激光器的发现：前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。 在1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。 在1990年代，高功率的激光激发原理得到实现，比如片状激光和纤维激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。 2000年代，激光的非线性得到利用，来制造X射线脉冲（来跟踪原子内部的过程）；另一方面，蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在2009年，中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾（KBBF）的晶体，可用于激发深紫外线激光，一旦成功应用，可令每片光盘的容量超过1TB，亦使半导体上可保存的电路密度大幅提高。 现在，激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。

原理

辐射

群数反转（population inversion）

“激光”的中文一词的来历

1960年7月7日，美国科学家梅曼发明了第一台激光器，1961年，中国大陆第一台激光器在中科院长春光机所由王之江等研制成功。但当时中国并没有激光一词，中国科学界对它的英文翻译多种多样，例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”，这些名字显然太长，不利于称呼。还有一些音译，如“莱塞”或者“雷射”。Laser (light amplification by stimulated emission of radiation)一字其实是多个单词的首字母合体。 命名的混乱给科学界、教育界带来极大的不便，19**年冬天，中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开，这次会议的一项重要议程，就是研究并通过对几个专有名词的统一命名。会议召开前，《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信，请他给Laser取一个中文名字。不久，钱学森就回信给编辑部，建议命名为“激光”。这一名字体现了光的本质、又描述了这类光和传统光的不同，即“激”体现了受激发生，激发态等意义。这一名称提交到第三次光量子放大器学术报告会讨论，受到了与会者的一致赞同。从此中国大陆对Laser这一**的新生事物有了统一而有意义的汉语名称。 在港澳地区“激光”和“雷射”两词都通用，**自始便使用“雷射”这一翻译，不曾于正式场合使用“激光”这个用语。

种类和工作原则

连续激光器

脉冲激光器 调Q（输出脉宽可以达到纳秒级别）通过改变谐振腔的Q值，把储存在激活媒质中的能量瞬时释放出来，以获得一定脉冲宽度的激光强辐射的方法。Q：品质因数，用来表示谐振腔的质量，定义为Q=(2π/T)*（谐振腔内储存的能量/每秒损失的能量）、T为周期时间 电光调Q 声光调Q 染料调Q 锁模（输出脉宽可以压缩到飞秒级别）

调Q（输出脉宽可以达到纳秒级别）通过改变谐振腔的Q值，把储存在激活媒质中的能量瞬时释放出来，以获得一定脉冲宽度的激光强辐射的方法。Q：品质因数，用来表示谐振腔的质量，定义为Q=(2π/T)*（谐振腔内储存的能量/每秒损失的能量）、T为周期时间 电光调Q 声光调Q 染料调Q

电光调Q

声光调Q

染料调Q

锁模（输出脉宽可以压缩到飞秒级别）

氦氖激光器（HeNe）：最重要的红光放射源（632.8 nm）。一般功率比较低0.5~50 mW。

二氧化碳激光器：波长约10.6 μm（红外线），重要的工业激光。

一氧化碳激光器：波长约6-8 μm（红外线），只在冷却的条件下工作。

氮气激光器：337.1 nm（紫外线）。

氩离子激光器：具有多个波长，457.9 nm（8%）、476.5 nm（12%）、488.0 nm（20%）、496.5 nm（12%）、501.7 nm（5%）、514.5 nm（43%，由蓝光到绿光）。功率从15mW到50W。激光表演中最常用的。

氦镉激光器：最重要的蓝光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。

氪离子激光器：具有多个波长，350.7nm、356.4nm、476.2nm、482.5nm、520.6nm、530.9nm、586.2nm、**7.1nm（最强）、676.4nm、752.5nm、799.3nm（从蓝光到深红光）。功率可到6W，能耗较大，价格较高。

氧离子激光器

氙离子激光器

混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩、氪等）。

准分子激光器：比如KrF（248 nm）、XeF（351-353 nm）、ArF（193 nm）、XeCl（308 nm）、F2（157 nm，均为紫外线)。

金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介于510.6-578.2 nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。

金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介于510.6-578.2 nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。

盐酸激光器

碘激光器

红宝石激光器：世界上第一台激光器，1960年7月7日，美国青年科学家梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，这台激光器就是红宝石激光器。

Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）：最常用的固体激光器，工作波长一般为10**nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。

Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为10**nm，可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频后产生532nm的激光器进行波长的转换。

Yb:YAG（掺镱钇铝石榴石）：适用于高功率输出，这种材料的盘片激光器在激光工业加工领域有很强优势。

钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（670nm～1200nm）

光纤激光器：用掺有稀土元素的玻璃(SiO2)光纤作为增益介质。

构成

激光器大多由激发系统、激光介质和光学谐振腔三部分组成。激发系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激发手段，主要有光照、通电或化学反应等。激光介质是能够产生激光的物质，如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振腔的作用，是用来放大加强输出激光的亮度(强度)，调节和选定激光的波长和方向等。

应用

医学：无血手术、激光治疗、手术治疗、肾结石治疗、激光矫视、牙科

工业：切割、焊接、材料热处理、打标记、非接触性测量

军事：目标标记、弹药制导、导弹防御、激光武器

司法：指纹鉴定

科研：光谱学

生产/商业应用：激光打印机、光盘、条码扫描仪、激光指示器

激光灯光显示：激光灯光秀

美容手术皮肤治疗：激光美容

建筑：准持、量测

安全性

第1级（Class I/1）：在设备内是安全的。通常是因为光束被完全的封闭在内，例如在CD播放器内。

第2级（Class II/2）：在正常使用状况下是安全的，眼睛的眨眼反射可以避免受到伤害。这类设备通常功率低于1mW，例如激光指示器。

第3 a/R级（Class IIIa/3R）：功率通常会达到5mW，并且在眨眼反射的时间内会有对眼睛造成伤害的小风险。注视这种光束几秒钟会对视网膜造成立即的伤害。

第3b/B级（Class IIIb/3B）：在暴露下会对眼睛造成立即的损伤。

第4级（Class IV/4）：激光会烧灼皮肤，在某些情况下，即使散射的激光也会对眼睛和皮肤造成伤害。许多任务业和科学用的激光都属于这一级。