COMPRENDRE LA TECHNOLOGIE &
LE FONCTIONNEMENT D'UN LASER

Qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est un type d'onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde et elles comprennent, dans l'ordre décroissant de longueur d'onde : les ondes radio, les rayons infrarouges, les rayons visibles, les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

Étymologie du terme laser

Le terme « laser » est un acronyme signifiant « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. » (Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement).

Différences entre la lumière ordinaire et
les faisceaux laser

Les lasers se différencient de la lumière ordinaire (lampe, etc.) en ce qu’ils émettent des faisceaux lumineux avec une directivité élevée, en d'autres termes, les ondes composant la lumière se déplacent ensemble en ligne droite, avec une dispersion quasi nulle. Les sources lumineuses classiques émettent des ondes lumineuses dans toutes les directions. Les ondes lumineuses d'un faisceau laser sont toutes de même couleur (une propriété appelée monochromaticité). La lumière ordinaire, émise par exemple par les ampoules à fluorescence, contient généralement plusieurs couleurs qui, mélangées, donnent une lumière blanche.

Lorsque les ondes lumineuses d'un laser se déplacent, elles oscillent selon un synchronisme parfait entre les crêtes et les creux, une caractéristique appelée « cohérence ». Lors de la superposition de deux faisceaux laser, les crêtes et les creux se renforcent mutuellement pour générer un schéma d'interférence.

Qu'est-ce que la lumière visible ?

Les ondes électromagnétiques dans le domaine des longueurs d'onde visibles par l'œil humain correspondent à ce que l'on appelle la « lumière visible ». La lumière visible varie de 360-400 nm, du côté des longueurs d'onde courtes, jusqu'à 760-830 nm, du côté des longueurs d'onde longues. Les longueurs d'onde plus courtes ou plus longues que la lumière visible ne sont pas perçues par l'œil humain.

Qu'est-ce que la couleur ?

Lorsqu'une lumière de longueurs d'onde données frappe un objet, les longueurs d'onde réfléchies par celui-ci sans être absorbées sont reçues par la rétine. C'est ce phénomène qui permet à l'œil d'identifier ces longueurs d'onde comme la « couleur » de l'objet. L'indice de réfraction varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui décompose la lumière et nous permet d'identifier toute une palette de « couleurs ». Par exemple, une pomme perçue comme rouge par l'œil humain quand elle est éclairée par la lumière du jour réfléchit les longueurs d'onde correspondant au rouge (600 à 700 nm) et absorbe toutes les autres. *Les objets noirs absorbent la totalité de la lumière, ce qui explique leur aspect noir.

Principes de fonctionnement des lasers

Lorsque des atomes (molécules) absorbent de l'énergie extérieure, ils passent d'un niveau d’énergie bas à un niveau d’énergie plus élevé, appelé « état excité ».

L'état excité est instable : les atomes tentent immédiatement de revenir à un état de plus faible énergie, phénomène nommé « transition ».

Lorsqu'une transition se produit, une lumière correspondant à la différence d'énergie est émise. Ce phénomène est appelé émission naturelle. La lumière émise entre en collision avec d'autres atomes également excités, ce qui induit de nouveau des transitions. La lumière correspondant aux transitions induites est appelée « émission stimulée ».

Les composants fondamentaux d'un laser

Le milieu actif (amplificateur) est le matériau qui va générer la lumière laser. Il peut être solide, comme un cristal de rubis ou des fibres optiques dopées, mais aussi un gaz, un liquide ou un semi-conducteur.
La source d’énergie (système de pompage) fournit l’énergie nécessaire pour exciter les atomes du milieu actif. Cette excitation provoque la montée des électrons à un niveau d’énergie supérieur. Cette source d’énergie peut être une décharge électrique, une lampe flash, ou un autre laser (comme des diodes de pompage pour un laser à fibre).
La cavité résonnante (miroirs), constituée de deux miroirs placés aux extrémités du milieu actif, permet d’amplifier la lumière émise par le milieu actif en l’obligeant à faire des allers-retours entre les miroirs :

- Un miroir est 100% réfléchissant.

- L'autre est semi-réfléchissant (il laisse passer un petit pourcentage de la lumière, qui deviendra le faisceau de sortie).

Processus de fonctionnement d'un laser

Processus de fonctionnement d’un Laser en 4 étapes :

§ Étape 1 : Le Pompage (L'excitation)

La source d'énergie externe (le pompage) bombarde le milieu amplificateur. Les électrons des atomes du milieu absorbent cette énergie et sautent d'un niveau d'énergie bas (état fondamental) à un niveau d'énergie plus élevé (état excité).

§ Étape 2 : L'Inversion de Population

Pour que le laser fonctionne, il faut qu'il y ait plus d'atomes à l'état excité qu'à l'état fondamental. C'est ce qu'on appelle l'inversion de population. C'est la condition sine qua non pour que l'amplification commence.

§ Étape 3 : L'Émission Stimulée

Lorsqu'un premier électron excité redescend spontanément à son état initial, il libère un photon.

· Ce photon va croiser un autre atome excité.

· En le percutant, il "stimule" cet atome, le forçant à redescendre et à libérer à son tour un second photon.

· La particularité : Ce second photon est la copie conforme du premier (même direction, même fréquence, même phase).

§ Étape 4 : L'Amplification et la Sortie

Les photons voyagent parallèlement à l'axe de la cavité et rebondissent entre les deux miroirs. À chaque passage à travers le milieu amplificateur, ils stimulent d'autres atomes, créant une réaction en chaîne (une avalanche de photons). Lorsque l'intensité lumineuse est maximale, une partie de cette lumière traverse le miroir semi-réfléchissant. Le faisceau laser est né.

Comprendre le décapage laser

Le décapage laser est une méthode de nettoyage des surfaces permettant d’éliminer des contaminants (rouille, peinture, oxydes, graisse, …) régie par une interaction entre un faisceau lumineux concentré émis par le laser et le polluant. Ce dernier absorbe l’énergie émise par le laser et se désintègre lorsque son seuil d’ablation est atteint via un mécanisme de fragmentation (ablation mécanique) ou de sublimation (ablation thermique).

Comment être sûr d’éliminer le polluant sans abimer le support

Chaque matériau ou contaminant possède son propre seuil d’ablation (moment ou il va être dégradé ou éliminé); Le bon paramétrage du laser va permettre de définir l’énergie nécessaire pour être au-dessus du seuil d’ablation du polluant (élimination) et en-dessous du seuil d’ablation du support (préservation).