Laser, acronyme de l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (" amplification de la lumière par émission stimulée de radiations "), dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués. Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle. Le rayonnement est également d'une grande pureté spectrale, le processus d'émission des photons garantissant leur régularité quantique. D'abord cantonnés à la lumière visible, les lasers couvrent aujourd'hui toute la gamme des rayonnements électromagnétiques, des rayons X et ultraviolets aux ondes infrarouges et micrométriques.

Le principe du laser consiste à exciter les électrons d'un milieu, puis à y déclencher l'émission de photons en cascade, et à accumuler le rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes avant de le relâcher sous forme de rayon.

Pour ce faire, le dispositif du laser consiste en un réservoir d'électrons (milieu fertile qui peut être solide, liquide ou gazeux), associé à une source excitante qui "!pompe!" ses électrons à de hauts niveaux d'énergie. Dans un second stade, de la lumière est injectée dans le milieu : son influence sur les électrons excités libère une cascade de photons, " émission stimulée " qui produit l'amplification de la lumière. Deux miroirs situés aux extrémités du laser se réfléchissent les photons émis, la lumière se densifiant à chaque parcours à travers le milieu, jusqu'à ce qu'une fraction soit relâchée par une petite ouverture à l'extrémité du dispositif. La lumière laser doit sa cohérence au fait que les photons du milieu naissent sur le passage d'autres photons et sont donc en phase avec eux dans leur déplacement.

Le principe de l'émission stimulée (la production sur commande d'un photon par un électron) fut décrit par Albert EINSTEIN dès 1917, mais il fallut attendre l'année 1958 pour que son application pratique, le laser, donne lieu à un brevet, déposé par les physiciens américains Arthur SCHAWLOW et Charles HARD TOWNES (l'antériorité de l'invention fut contestée par le physicien et ingénieur américain GORDON GOULD, qui obtint gain de cause en 1977 pour l'une des composantes du système). En 1960, le physicien américain Théodore MAIMAN obtint pour la première fois une émission laser en excitant des cristaux de rubis. Un an plus tard, en 1961, le physicien américain d'origine iranienne Ali JAVAN mit au point un laser au gaz (hélium et néon). En 1966, le physicien américain Peter SOROKIN construisit le premier laser à liquide.

Les lasers sont classés en cinq grandes familles, selon la nature du milieu excité : lasers à solide, lasers à gaz, lasers à semi-conducteurs, lasers à liquide et lasers à électrons libres.

Les lasers à solide utilisent des verres et des cristaux comme milieu d'émission et de propagation des photons (notamment des cristaux de rubis et des verres dopés au néodyme). De tous les lasers, ce sont ceux qui fournissent la plus grande puissance utile. Ils opèrent généralement en mode discontinu, générant des impulsions lumineuses extrêmement brèves (jusqu'à 12.10-15 s), permettant d'étudier les phénomènes physiques de très courte durée. Dans de tels lasers, le pompage préliminaire du milieu est réalisé par des flashs électroniques au xénon, des lampes à arc ou des lampes à vapeur métallique. Les lasers à solide étendent aujourd'hui leur gamme de fonctionnement aux rayons ultraviolets (multiplication de la fréquence lumineuse dans des cristaux de phosphate de potassium), et même aux rayons X (interaction des photons avec une cible en yttrium ).

Dans un laser à gaz, le milieu générateur de photons est un gaz pur, un mélange de gaz ou un métal chauffé à l'état de vapeur, contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le pompage du milieu est obtenu par rayonnement ultraviolet ou bombardement d'électrons. Le laser à hélium et néon, en particulier, est connu pour la pureté de sa fréquence d'émission et l'étroitesse (directivité) du faisceau obtenu. Les lasers à dioxyde de carbone sont également répandus et génèrent de fortes puissances en mode continu.

Particulièrement compacts, les lasers à semi-conducteurs utilisent les jonctions électroniques entre semi-conducteurs de conductivités différentes pour générer des photons (l'un des matériaux les plus performants étant l'arséniure de gallium). La production des photons est cantonnée à la jonction électronique par des surfaces réfléchissantes. Le pompage est obtenu par mise sous tension du circuit. Pour obtenir des puissances élevées, un grand nombre de semi-conducteurs sont montés dans un espace réduit, leur densité pouvant atteindre un million au centimètre carré. Les lasers à semi-conducteurs sont notamment utilisés pour les imprimantes laser et les lecteurs de disques compacts .

Dans les lasers à liquide, le milieu actif consiste généralement en un colorant inorganique, enfermé dans un récipient en verre. Le milieu est pompé par flashage (mode discontinu) ou par un laser auxiliaire à gaz (mode continu). Dans un laser à liquide, la fréquence du rayonnement peut être ajusté au moyen d'un prisme placé dans le récipient, ce qui rend l'appareil d'une grande précision spectrale.

En 1977 sont apparus les lasers à électrons libres, utilisés principalement pour la recherche. Ils mobilisent les électrons d'un plasma, spiralant autour des lignes de force d'un champ magnétique. Contrairement aux lasers à liquide, leur fréquence de rayonnement peut être ajustée, de l'infrarouge aux rayons X. À l'avenir, de tels lasers devraient être capables de générer de très hautes énergies à des coûts raisonnables.

Le laser est un outil précieux dans l'industrie, la recherche scientifique, les télécommunications, la médecine, la technologie militaire et les arts.

Les rayons lasers permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface. Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière. On les emploie donc dans l'industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant, polir les composants micro-électroniques, traiter à chaud les puces à semi-conducteurs, voire élaborer de nouvelles matières synthétiques. Il est même envisagé, dans certains projets de centrales à fusion nucléaire, d'utiliser des lasers pour confiner le milieu réactif à des densités critiques.

Dans les bâtiments et les travaux publics, les rayons lasers servent à vérifier l'alignement des structures. Ils se révèlent également d'excellents détecteurs de molécules gazeuses et sont utilisés pour l'étude de l'atmosphère et de ses polluants.

La faible dispersion spatiale des rayons lasers et leur grande précision temporelle permettent de les utiliser pour mesurer des distances, à la manière des ondes radar : les rayons sont envoyés sur des miroirs positionnés sur les sites à cadastrer, par exemple le long d'une faille ou sur les rives opposées d'un océan en expansion. Le temps du trajet aller-retour du rayon laser permet de mesurer les distances au centimètre près. Les satellites utilisent également des altimètres lasers pour déterminer l'altitude du relief survolé ou la hauteur des vagues sur la mer. Des miroirs lasers ont même été déposés sur la Lune par certains astronautes, et ont renvoyé des rayons lasers émis depuis la Terre, permettant de mesurer la distance Terre-Lune avec une précision inégalée : de telles mesures ont mis en évidence la lente dérive de la Lune qui s'écarte de notre planète au rythme de quelques millimètres par an. Réciproquement, la vitesse de la lumière laser peut être exactement calibrée entre deux points dont l'écartement est connu : ces mesures ont permis de vérifier entre autres la théorie de la relativité.

Dans les accélérateurs de particules, des commutateurs très rapides activés au laser sont en cours de développement. On projette également d'utiliser des rayons lasers dans les chambres à vide pour stabiliser les atomes étudiés, et analyser rigoureusement leur spectre. Le caractère monochromatique et hautement directionnel des rayons lasers permet en effet de sonder la structure moléculaire de la matière, par la mesure des infimes décalages spectraux des rayons lasers réfléchis à son contact. La présence d'impuretés dans certaines matières, notamment, peut ainsi être détectée. D'autre part, le bombardement de molécules par des rayons lasers monochromatiques permet d'y déclencher des réactions chimiques strictement contrôlées.

Comme toute onde, le rayonnement laser peut être modulé en signal et servir aux télécommunications. Le rayonnement laser se distingue en effet par une dispersion extrêmement réduite : il parcourt de longues distance dans le vide sans modification substantielle de l'intensité du signal. D'autre part, en raison de sa fréquence élevée, le rayonnement laser est capable de véhiculer 1 000 fois plus de canaux de télévision que les ondes micrométriques et est préconisé pour les futures générations de satellites de communication. Au sol, les fibres optiques véhiculent également des signaux lasers porteurs d'une riche densité d'informations (chaînes de radio et de télévision, données informatiques) sur des réseaux en pleine expansion.

En raison de leur précision directionnelle, les rayons lasers servent à couper et à cautériser les tissus organiques, sans endommager les tissus sains environnants. Ils sont utilisés notamment dans les opérations de décollement de la rétine, pour ressouder le tissu en place, ainsi que pour cautériser les vaisseaux sanguins et vaporiser les lésions. Le laser est également utilisé en laboratoire dans les analyses d'échantillons biochimiques.

Des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et les satellites. Des canons lasers de très haute énergie ont également été proposés comme nouvelle classe d'armement antimissile par le président américain Ronald Reagan en 1983 (IDS) : plusieurs tests ont été conduits. D'autre part, la capacité que possèdent les lasers à liquide d'effectuer une excitation sélective des atomes pourrait ouvrir la voie à de meilleurs systèmes de séparation des isotopes, notamment dans la fabrication des bombes nucléaires.

Grâce à ses impulsions lumineuses puissantes autant que brèves, le laser se prête remarquablement à la photographie : on peut obtenir de très courts temps de pose par ce procédé, permettant la photographie de phénomènes extrêmement brefs. En holographie, ce sont également aux rayons lasers que sont prises les photographies dont sont tirées par interférence des images tridimensionnelles.

Enfin, le succès du laser est aussi dû à ses applications spectaculaires dans les arts scéniques : ballets et arabesques de pinceaux lumineux dans le ciel, éclairages de concerts et spectacles son et lumière ont propulsé la technique laser aux avant-postes de l'art contemporain. Notons également que l'on utilise parfois les rayons lasers pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.

VI) Sécurité

Dans les applications scientifiques et industrielles comme dans les arts, l'emploi du laser nécessite de respecter un certain nombre de règles de sécurité. Tension et intensité lumineuses peuvent être élevées. Comme l' il focalise sur la rétine la lumière laser de la même façon que toute autre lumière, le danger principal est l'endommagement des yeux. Il est donc recommandé aux opérateurs de ne pas exposer leurs yeux aux rayons lasers, qu'ils soient directs ou réfléchis, et de porter des lunettes protectrices.