Cet article comprend de nombreuses informations concernant les lasers: leur fonctionnement, types, fabrication, puissance, sécurité, etc.

Qu’est-ce qu’un laser ?

Il faut savoir que laser est en réalité un acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation« . Ce qui donne « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement » en français.

Par définition, c’est un « Appareil mettant en œuvre le phénomène laser pour engendrer un faisceau de rayonnement spatialement et temporellement cohérent, utilisé dans les domaines de l’armement, des télécommunications, de la métrologie, de la physique fondamentale, de l’industrie, de la médecine, etc. »

En gros, c’est un truc qui fait un faisceau lumineux droit

Comment ça fonctionne ?

Un composé, souvent un gaz (He-Ne par exemple) ou un cristal (rubis, etc) est placé entre deux miroirs dont un laisse passer une petite partie de la lumière. Ce composé est ensuite excité de manière à libérer des photons (particules de lumière) lorsqu’il perd cette énergie (quand les électrons du composé passent à une couche inférieure). Or la taille du système est prévue pour que lorsqu’un photon heurte un miroir, 2 photons repartent dans l’autre sens (il y en a donc 1 de plus). Il y a donc création d’une quantité énorme de photons dont certain parviennent à traverser le second miroir pour générer un faisceau lumineux.

1. milieu excitable (gaz, cristal)
   
2. énergie de pompage (souvent électrique)
   
3. miroir totalement réfléchissant
4. miroir semi-réfléchissant (partie centrale)
5. faisceau laser

Une petite vidéo pour mieux comprendre…

Les différents types de laser

– cristallins (à solide): rubis, Nd, Yb, Pr, Er, Tm, etc…

– à colorants: utilisation de colorants pour avoir la longueur d’onde exacte désirée (au centième de nanomètre près). Ce type de laser est utilisé en physique nucléaire.

– utilisation d’un gaz. Le plus connu est le hélium-néon (632,8nm = rouge) et le CO₂ (infrarouge à 10,6 µm). Ce dernier est utilisé pour la découpe de matériaux.

– diode laser: les photons sont produit par 2 semi-conducteurs traversés par un courant électrique.

– à électrons libres: principe tout à fait différent: la lumière est produite par un rayonnement produit par des électrons accélérés.

– à fibres: Ce type ressemble au laser solide. Ici le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions rares.

– à impulsions: Ce sont des lasers utilisant une diode capable de fonctionner une très courte durée (quelques femtosecondes) mais avec énormément de puissances (près d’1 MW = 1 000 kW = 1 000 000 W pour les plus puissants).

Les couleurs

En fonction du composé utilisé, longueur d’onde (et donc la couleur du laser) varie. Chaque composé a sa longueur d’onde (et par conséquent sa fréquence) spécifique.

Comme dit précédemment, l’utilisation de colorants permet choisir exactement la longueur d’onde au centième de nm près.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, plus on va vers des couleurs bleues, UV, plus l’énergie augmente proportionnellement. Ce n’est pas l’inverse. On trouve plus facilement des laser infrarouge de puissance élevée. C’est laser ne produisent pas des photons avec plus d’énergie (c’est même l’inverse), mais bien une grande quantité de photons.

L’oeil perçoit mieux les couleurs vers le rouge que vers le bleu. Pour une même puissance, un faisceau de 638 ou 532nm sera bien plus visible qu’un 445 ou 405nm.

Les longueurs d’ondes les plus courantes pour les diodes lasers sont les suivantes:

373nm – 405nm – 445nm – 450nm – 473nm- 520nm – 532nm – 594nm – 635nm – 638nm – 660nm – 685nm – 780nm – 808nm – 830nm – 980nm – 1064nm

Les IR commencent vers 700nm.

Les 373nm sont des ultraviolets (Invisibles, mais qui réagissent avec les objets fluorescents !)

Les 532 et 638nm sont très très visibles comparés au 445 et au 685nm.

Fabrication « home made »

Il est assez simple de réaliser des laser au infrarouges au CO₂ de 40 – 80W en utilisant la réaction vinaigre-bicarbonate. (On trouve facilement des vidéos sur Youtube.)

A part les laser au dioxyde de carbone, les seuls autres que l’on peut facilement faire, sont des laser qui utilisent une diode laser alimenté par un circuit de régulation spécial laser. Ces lasers sont le plus souvent portables. (C’est le cas de mon briquet laser avec une diode M-140)

Vous pouvez acheter ces diodes sur internet (voir les meilleurs vendeurs de composants) (attention à ne pas acheter de diode IR).

– lecteur CD et DVD, graveur CD –> IR

– graveurs DVD –> rouge +-100mW

– lecteur Blue-Ray –> bleu +-150mW (250mW pour les graveurs)

– projecteurs –> bleu 500mW à 3W

Les diodes entre 450 et 600nm sont généralement plus chères car elles ont peut d’utilisation (sauf les vertes de 532nm pour les show mais ça reste assez cher).

Si vous recherchez de la puissance, partez sur les 445nm ou les rouges (les IR coûte bien moins cher mais sont extrêmement dangereuses).

Puissance et sécurité

Rappel: 1 watt (1W) = 1000 milliwatts (mW) et 1 mégawatt (MW) = 1 000 000 W

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.

En effet, les laser produisent énormément de lumière. Les plus dangereux sont les lasers infrarouges (IR) car on ne voit pas le faisceau et si on l’a dans l’oeil, ce dernier ne réagit pas (avec un spectre visible, l’oeil a le réflexe de fermer les paupières et contracter la pupille).

Prenons par exemple un petit pointeur laser rouges de 1 mW. Le problème, c’est que le cristallin de l’oeil concentre la lumière pour avoir 300*10⁶ W/m².

Comparons mon briquet laser de plus de 2W au Soleil…

Le Soleil émet 1 366 W/m² sur Terre dans des conditions optimales en haute altitude. Ce laser émet plus de 2W / 1mm² = 2MW/m². Ce laser équivaut donc à 1500 fois le Soleil !!! On vous a toujours dit de ne jamais regarder directement le Soleil…

C’est pourquoi des lunettes de protections adaptées sont obligatoires lors de la manipulation de laser. Ces lunettes bloquent une portion de longueurs d’onde. Il faut donc des lunettes bien ADAPTEES !!! Même si vous ne pensez jamais vous mettre le laser dans l’oeil, il faut toujours en porter quand le laser est allumé. Avec les laser de plus de 150mW, le simple fait de voir le points sur une feuille blanche endommage la rétine (et les caméras vidéo à partir de 700mW).

Dans le commerce, on trouve facilement des laser <5mW. Ces laser pourraient déjà commencer à endommager la rétine mais si l’oeil y est exposé (pas un IR évidemment), les réflexes sont suffisamment bon pour ne pas causer de dégâts.

A partir de 30mW, même avec de bon réflex, il est possible d’avoir des dommages.

Les laser à partir de 100mW brûlent instantanément la rétine!!!

A partir de 150mW… vous allumerez facilement une cigarette =P

Et on ne pointe pas des laser à partir de 5mW sur les avions ! (Oui, j’ai oublié de préciser que leur portée est de plusieurs (dizaines de) kilomètres !)

Les laser ne brûlent pas ce qui est de la même couleur que le laser ou ce qui est blanc car la lumière est réfléchie et (presque) aucune énergie n’est absorbée. Cependant, avec des lasers de plus d’1W, il y a moyen de brûler du papier/plastique/etc de même couleur ou blanc à cause de « saletés » présentes sur le papier. A l’opposé, tout ce qui est noir absorbera beaucoup mieux l’énergie.

Voici les classes de sécurités…

• 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’instrument optiques, peut être dangereuse.
• 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 3A : 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.
• 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, le laser Ultraviolet (UV) et infrarouge (IR) étant bien plus dangereux que le laser visible. 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 3A : de 1 à 5 mW.
• Classe 3B : de 5 à 500 mW.
• Classe 4 : au-delà de 500 mW.

Petit historique…

1917: Einstein : principe d’émission stimulée

1950: Kastler : pompage optique

1958: Gordon et Zeiger : MASER (micro-onde)

1960: Maiman : laser à rubis

1964: Javan : Laser He-Ne

1983: Initiative de défense stratégique (IDS), dite aussi Guerre des étoiles : projet de réseau de satellites dont le rôle serait la détection et la destruction de missiles balistiques lancés contre les États-Unis.

XXIe siècle: voir vidéo de l’US Navy…

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