8.7 : Lasers

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

Décrire les processus physiques nécessaires à la production de lumière laser
Expliquer la différence entre la lumière cohérente et la lumière incohérente
Décrire l'application des lasers à un lecteur CD et Blu-Ray

Un laser est un appareil qui émet une lumière cohérente et monochromatique. La lumière est cohérente si les photons qui la composent sont en phase, et monochromatique si les photons ont une seule fréquence (couleur). Lorsqu'un gaz contenu dans le laser absorbe le rayonnement, les électrons sont élevés à différents niveaux d'énergie. La plupart des électrons retournent immédiatement à l'état fondamental, mais d'autres persistent dans ce que l'on appelle un état métastable. Il est possible de placer la majorité de ces atomes dans un état métastable, une condition appelée inversion de population.

Illustration de l'amplification de la lumière dans un laser. Deux niveaux d'énergie sont représentés par des lignes pointillées, l'un au-dessus de l'autre à trois moments différents. Les électrons sont à l'état supérieur, qui est un état métastable, et passent à l'état inférieur. Une onde lumineuse d'énergie h f arrive, provoquant la chute de l'électron à l'état inférieur. Deux photons identiques en phase d'énergie h f sont émis et absorbés par un plus grand nombre d'électrons à l'état métastable. Ces électrons tombent à l'état inférieur et émettent quatre photos identiques, en phase, d'énergie h f, qui sont ensuite absorbées par le troisième ensemble d'électrons. Les électrons passent à l'état inférieur et émettent huit photons identiques, en phase, d'énergie h f. — Figure\(\PageIndex{1}\) : La physique d'un laser. Un photon incident de fréquence f provoque une cascade de photons de même fréquence.

Lorsqu'un photon d'énergie perturbe un électron dans un état métastable (Figure\(\PageIndex{1}\)), l'électron tombe au niveau d'énergie inférieur et émet un photon d'addition, et les deux photons se déclenchent ensemble. Ce processus est appelé émission stimulée. Cela se produit avec une probabilité relativement élevée lorsque l'énergie du photon entrant est égale à la différence d'énergie entre les niveaux d'énergie excité et « désexcité » de l'électron (\(\Delta E = hf\)). Ainsi, le photon entrant et le photon produit par désexcitation ont la même énergie, hf. Ces photons rencontrent davantage d'électrons à l'état métastable, et le processus se répète. Il en résulte une réaction en cascade ou en chaîne de désexcitations similaires. La lumière laser est cohérente car toutes les ondes lumineuses de la lumière laser partagent la même fréquence (couleur) et la même phase (deux points le long d'une ligne perpendiculaire à la direction du mouvement se trouvent sur la « même partie » de l'onde »). Un diagramme schématique du diagramme d'ondes lumineuses cohérent et incohérent est donné sur la figure\(\PageIndex{2}\).

Illustration d'un motif d'ondes lumineuses cohérent et d'un motif d'ondes lumineuses incohérent. La lumière cohérente est constituée d'ondes de même longueur d'onde, de même phase et de même amplitude, de sorte que toutes les crêtes sont alignées et que tous les creux sont alignés. La lumière incohérente est constituée d'ondes de longueurs d'onde, de phases et d'amplitudes différentes, ce qui entraîne le chevauchement de crêtes et de creux de différentes ondes. — Figure\(\PageIndex{2}\) : Un diagramme d'ondes lumineuses cohérent contient des ondes lumineuses de même fréquence et de même phase. Un motif d'ondes lumineuses incohérent contient des ondes lumineuses de différentes fréquences et phases.

Les lasers sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment dans les domaines de la communication (lignes téléphoniques à fibres optiques), du divertissement (émissions de lumière laser), de la médecine (élimination des tumeurs et cautérisation des vaisseaux de la rétine) et de la vente au détail (lecteurs de codes-barres). Les lasers peuvent également être produits à partir d'une large gamme de matériaux, notamment des solides (par exemple, le cristal de rubis), des gaz (mélange hélium-gaz) et des liquides (colorants organiques). Récemment, un laser a même été créé à l'aide de gélatine, un laser comestible ! Ci-dessous, nous discutons en détail de deux applications pratiques : les lecteurs CD et les lecteurs Blu-Ray.

Lecteur CD

Un lecteur CD lit les informations numériques stockées sur un disque compact (CD). Un CD est un disque de 6 pouces de diamètre en plastique qui contient de petites « bosses » et de « trous » près de sa surface pour coder des données numériques ou binaires (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les bosses et les creux apparaissent le long d'une piste très fine qui s'étend en spirale vers l'extérieur à partir du centre du disque. La largeur du rail est inférieure à 1/20e de la largeur d'un cheveu humain, et la hauteur des bosses est encore plus petite encore.

Illustration des détails d'un disque compact. Un faisceau laser frappe le disque par le bas à angle droit. Le disque est composé de trois couches. La couche inférieure est une couche de plastique polycarbonate avec des trous et des bosses alternés. Une fine couche d'aluminium est déposée sur la couche de plastique. Une couche de laque recouvre le disque, comble les bosses et les creux et forme une surface supérieure lisse. Le disque entier, y compris les trois couches, a une épaisseur de 1,2 mm. — Figure\(\PageIndex{3}\) : Un disque compact est un disque en plastique qui utilise des bosses situées près de sa surface pour coder des informations numériques. La surface du disque contient plusieurs couches, dont une couche d'aluminium et une couche de plastique polycarbonate.

Un lecteur de CD utilise un laser pour lire ces informations numériques. La lumière laser convient à cet effet, car la lumière cohérente peut être focalisée sur un point incroyablement petit et ainsi distinguer les bosses des creux sur le CD. Après traitement par les composants du lecteur (y compris un réseau de diffraction, un polariseur et un collimateur), la lumière laser est focalisée par une lentille sur la surface du CD. La lumière qui frappe une bosse (« terre ») est simplement réfléchie, mais la lumière qui frappe une « fosse » interfère de manière destructive, de sorte qu'aucune lumière ne revient (les détails de ce processus ne sont pas importants pour cette discussion). La lumière réfléchie est interprétée comme un « 1 » et la lumière non réfléchie est interprétée comme un « 0 ». Le signal numérique résultant est converti en signal analogique, et le signal analogique est introduit dans un amplificateur qui alimente un appareil tel qu'une paire d'écouteurs. Le système laser d'un lecteur de CD est illustré sur la figure\(\PageIndex{4}\).

Une photographie du fonctionnement interne d'un lecteur CD — Figure\(\PageIndex{4}\) : Un lecteur de CD et son composant laser.

Lecteur Blu-Ray

Comme un lecteur CD, un lecteur Blu-Ray lit les informations numériques (vidéo ou audio) stockées sur un disque et un laser est utilisé pour enregistrer ces informations. Les fosses d'un disque Blu-Ray sont beaucoup plus petites et plus rapprochées que celles d'un CD, ce qui permet de stocker beaucoup plus d'informations. Par conséquent, le pouvoir de résolution du laser doit être supérieur. Ceci est réalisé en utilisant une lumière laser bleue à courte longueur d'onde (\(λ=405\,nm\)), d'où le nom « Blu- » Ray. (Les CD et les DVD utilisent une lumière laser rouge.) Les différentes tailles de puits et les configurations matérielles des lecteurs CD, DVD et Blu-Ray sont illustrées dans la figure\(\PageIndex{5}\). La taille des fosses d'un disque Blu-Ray est plus de deux fois plus petite que celle d'un DVD ou d'un CD. Contrairement à un CD, un disque Blu-Ray stocke les données sur une couche de polycarbonate, ce qui permet de les rapprocher de l'objectif et d'éviter les problèmes de lisibilité. Un revêtement dur est utilisé pour protéger les données car elles sont si proches de la surface.

Les différentes tailles de puits et les configurations matérielles des lecteurs CD, DVD et Blu-Ray sont illustrées. Dans chaque cas, les trous sont plus petits que la taille du point créé par le faisceau laser sur la surface du support de stockage. Sur la gauche, le lecteur CD, d'une capacité de stockage de 0,7 Go, est affiché. Le laser CD a une longueur d'onde lambda égale à 780 nanomètres, ce qui correspond à une couleur rouge. Il est focalisé par une lentille, pénétrant dans le matériau CD jusqu'à une profondeur de 1,2 m et formant un point relativement large sur la surface du CD. Au milieu, le lecteur DVD, d'une capacité de stockage de 4,7 Go, est illustré. Le laser DVD a une longueur d'onde lambda égale à 650 nanomètres, ce qui correspond à une couleur orange rougeâtre. Il est focalisé par une lentille, pénétrant le DVD jusqu'à une profondeur de 0,6 m et formant un point plus petit sur la surface du DVD que celui que nous avons vu sur le CD. Sur la droite, le lecteur Blue-Ray, d'une capacité de stockage de 25 Go, est illustré. Le laser à rayons bleus a une longueur d'onde lambda égale à 405 nanomètres, ce qui correspond à une couleur bleue. Il est focalisé par une lentille, pénétrant le matériau du disque à rayons bleus jusqu'à une profondeur de 0,1 m m et formant un petit point sur la surface du disque. — Figure\(\PageIndex{5}\) : Comparaison de la résolution laser d'un lecteur CD, DVD et Blu-Ray.