Le laser est une autre invention majeure de l’humanité depuis le XXe siècle, après l’énergie nucléaire, les ordinateurs et les semi-conducteurs. Il est connu comme « le couteau le plus rapide », « la règle la plus précise » et « la lumière la plus brillante ». Le 16 mai 1960, le physicien américain Theodore Maiman invente le premier laser au monde. Pour la première fois, l’humanité a eu accès à une source de lumière aussi miraculeuse dotée d’une excellente monochromaticité, d’une collimation élevée et d’une densité énergétique élevée. Depuis l'invention du premier laser en 1960, les lasers ont été largement utilisés dans les communications, la médecine, la production industrielle, les armes militaires et d'autres domaines, devenant ainsi une technologie multidisciplinaire à usage général- qui a eu un impact considérable sur la recherche dans de nombreux domaines et a favorisé l'amélioration de l'efficacité de la production sociale. Alors, qu’est-ce qu’un laser exactement ? Et comment est-il produit ?
Laser est l'acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », signifiant amplification de la lumière provoquée par une émission stimulée de rayonnement. Lorsque cette technologie a été introduite en Chine en 1964, M. Qian Xuesen lui a donné ce nom. Dans l’usage populaire, il porte également un nom translittéré plutôt impressionnant, « leishe ». Avant de comprendre les lasers, regardons d’abord ce qu’est la lumière.
La lumière est produite par des photons. En 1905, Albert Einstein a introduit pour la première fois le concept de photons dans son article sur l'effet photoélectrique. Les photons sont l'une des particules fondamentales qui composent la matière. Les photons sont extrêmement petits et n’ont aucune masse au repos. Selon les principes de la mécanique quantique, lorsqu'un électron passe d'une coque externe d'énergie supérieure-à une coque interne d'énergie inférieure-, le noyau atomique correspondant libère un photon, produisant ainsi de la lumière. Plus le nombre de couches traversées par l’électron est grand, plus l’énergie du photon est grande. Ce processus est réversible ; lorsqu'un photon est incident, le noyau atomique absorbe le photon et l'électron, ayant gagné de l'énergie, se déplace d'une coque interne à énergie inférieure-vers une coque externe à énergie supérieure-.
La caractéristique d’un laser est que tous ses photons se déplacent ensemble avec la même longueur d’onde et la même phase. Dans un système atomique, les électrons se déplacent essentiellement par couches. Lorsqu'un atome est affecté par son environnement externe et que des électrons à haute énergie-passent à des niveaux d'énergie inférieurs, il se produit deux phénomènes : "l'émission spontanée" et "l'émission stimulée". Les lasers sont produits par émission stimulée. En termes simples, un laser est le « rayonnement lumineux » émis lorsque les atomes d’une substance sont « excités » par une « source de pompage » spécifique.
Un laser est un dispositif qui génère de la lumière laser, principalement composé d'une source de pompe, d'un milieu de gain et d'une cavité résonante. La source de pompe est la source d'excitation du laser, fournissant de l'énergie aux électrons de faible -énergie pour les exciter à des niveaux d'énergie plus élevés. Les sources de pompe courantes comprennent l'excitation optique, l'excitation par décharge gazeuse, l'excitation chimique et l'excitation par énergie nucléaire. La cavité résonante est le circuit entre la source de pompe et le milieu de gain, généralement constitué de deux miroirs aux formes géométriques spécifiques et aux caractéristiques de réflexion optique combinées d'une manière particulière. Cela permet à la lumière excitée de voyager plusieurs fois dans la cavité, formant des oscillations cohérentes et soutenues qui sont amplifiées et limitant également la fréquence et la direction du faisceau lumineux. Le milieu de gain fait référence au milieu de travail qui amplifie la lumière.
Depuis qu'Einstein a proposé l'émission stimulée en 1917, les scientifiques ont passé 43 ans d'exploration incessante avant de finalement créer le premier laser au monde en 1960. Le scientifique Maiman, des laboratoires de recherche Hughes en Californie, a utilisé une lampe flash à haute intensité pour éclairer un rubis, excitant les atomes de chrome contenus dans le rubis pour émettre une lumière rouge. En perçant un trou dans la surface du rubis, qui était recouverte d'un miroir réfléchissant, la lumière rouge pouvait s'échapper par ce trou, produisant un faisceau de lumière rouge étroit et très concentré. Lorsque ce faisceau était dirigé vers un point, il pouvait atteindre des températures supérieures à la surface du soleil. Ainsi est né le premier laser au monde-le laser rubis-, avec une longueur d'onde de 0,6943 micromètres. Il s’agit du premier faisceau laser jamais produit par l’humanité.
