Techniques industrielles Le laser, une lumière pas comme les autres

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Depuis son invention en 1960, le laser a conquis l'industrie, la médecine et notre vie de tous les jours. Comment fonctionne cette technologie fascinante ? Plongée au cœur du sujet pour tout comprendre simplement.

« LASER » est un acronyme anglais : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, c'est-à-dire « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ».

C'est le 16 mai 1960 qu'a fonctionné le premier laser. Il a été développé en laboratoire par le physicien américain Theodore Maiman, aux Hughes Research Laboratories. Theodore Maiman a présenté le laser lors d'une conférence de presse à l'Hôtel Delmonico à New York le 7 juillet 1960. Le New York Times, entre autres, a participé à relayer l'information au grand public. Le 6 août 1960, un article particulièrement court est publié dans la revue scientifique Nature, après avoir été refusée par la revue Physical Review Letters. Une demande de brevet a été déposée le 29 novembre 1960 par Hughes Aircraft Co, l'employeur de Theodore H Maiman, et acceptée le 14 novembre 1967.

Comment fonctionne un laser ?

Contrairement à la lumière blanche d'une ampoule par exemple, qui contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel et part dans toutes les directions, un laser produit un faisceau étroit, cohérent, et monochrome.

Un laser repose sur trois éléments :

• Un milieu amplificateur : un cristal, un gaz, une fibre optique ou un semi-conducteur, qui contient des atomes ou des molécules.

• Une source d'énergie (le « pompage ») : de la lumière ou de l'électricité fournit de l'énergie aux atomes, qui passent dans un état dit « excité ».

• Une cavité optique : deux miroirs placés de part et d'autre du milieu amplificateur.

Lorsqu'une particule de lumière (un photon) rencontre un atome excité, elle peut provoquer l'émission d'un second photon identique : même couleur, même direction, même rythme. C'est l'émission stimulée. Pour que ce phénomène l'emporte, il faut plus d'atomes excités que d'atomes au repos (on parle d'inversion de population).

Les miroirs renvoient la lumière dans le milieu amplificateur, et elle est amplifiée à chaque passage. L'un des miroirs laisse sortir une partie de cette lumière : c'est le faisceau laser.

Les applications les plus connues

Les lasers sont présents dans de nombreux objets et services de tous les jours, comme dans les lecteurs de codes-barres des caisses de magasin, les imprimantes laser, ou encore les télémètres.

En médecine, les lasers servent notamment à la chirurgie de l'œil, par exemple pour corriger la myopie. Les dermatologues s'en servent quant à eux pour traiter des lésions vasculaires ou améliorer l'aspect de cicatrices.

Dans le domaine des télécommunications par fibre optique, les lasers jouent le rôle d'émetteurs de signaux : ils transforment les informations numériques (des suites de 0 et de 1) en impulsions de lumière.

Dans l'industrie, les principales applications du laser sont la découpe de métaux et d'autres matériaux, le soudage, le perçage, le marquage, la gravure, le durcissement ou le décapage. On le retrouve également dans certaines technologies d'impression 3D, entre autres la stéréolithographie (SLA), le frittage sélectif par laser (SLS), ou la fusion sélective par laser (SLM).

Les différents types de lasers

On peut classer les lasers suivant différentes caractéristiques. La longueur d'onde définit la « couleur » du rayonnement. Il existe ainsi des lasers de différentes « couleurs » : le laser Hélium-Néon ou He-Ne , de longueur d'onde 632,8 nm, est de couleur rouge vif, tandis que le laser Nd:YAG, qui émet à 1064 nm, appartient au spectre infrarouge et n'est donc pas visible par l'œil humain.

Ensuite, les lasers fonctionnent principalement selon deux grands modes : continu ou pulsé, c'est-à-dire avec ou sans interruption de l'émission du faisceau laser. Les lasers pulsés suivent différents régimes d'impulsion, qui définissent la durée pendant laquelle la lumière est émise. Il existe ainsi des lasers à impulsions longues (millisecondes à microseconde pour le soudage et certains traitements dermatologiques, ou nanoseconde, un standard pour les applications de marquage et de découpe), ou à impulsions ultracourtes (picoseconde en dermatologie et micro-usinage, femtoseconde pour la chirurgie de l'œil et le nano-usinage de précision).

En 2018, le Prix Nobel de physique a récompensé une méthode permettant de produire des impulsions laser ultracourtes et extrêmement intenses, aujourd'hui utilisées notamment en chirurgie de l'œil.

Une histoire qui continue

Parti d'une curiosité de laboratoire il y a plus de soixante ans, le laser est aujourd'hui devenu un pilier de notre monde moderne. De la simple caisse de supermarché aux opérations chirurgicales les plus délicates, il a su se rendre indispensable. Et l'histoire n'est pas finie : comme l'a montré le Prix Nobel de physique 2018, cette lumière « disciplinée » continue d'évoluer, promettant des applications encore plus précises et innovantes pour le futur.

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