Le laser aléatoire

Nés il y a tout juste 50 ans, les lasers ont envahi notre quotidien. Ils gravent et lisent nos DVD, impriment nos documents, découpent ou soudent les matériaux, réparent ou brûlent les tissus malades, transportent nos messages à travers les réseaux de fibres optiques… Autant de choses que la lumière ordinaire, celle d'une ampoule ou celle du Soleil, ne peut pas faire. Le secret du pointeur laser puissance réside, d'une part, dans sa pureté spectrale : la couleur d'un faisceau laser est couramment un milliard de fois plus pure que celle d'une ampoule ; il réside, d'autre part, dans la remarquable directivité de son faisceau, qui fait la magie des spectacles laser et le rend indispensable en télémétrie, par exemple.

Tous les lasers conventionnels fonctionnent selon le même principe : un milieu « actif », constitué d'un gaz, d'un liquide ou d'un solide, amplifie la lumière au sein d'une cavité optique formée en général de deux miroirs se faisant face. Cette cavité est essentielle, car, en forçant la lumière à effectuer des allers-retours dans le milieu actif, elle confère au faisceau laser ses caractéristiques. Dès lors, est-il possible d'obtenir un effet analogue sans cavité ? Oui, ont démontré plusieurs groupes – d'un point de vue théorique dans les années 1960, puis expérimentalement dans les années 1990 : on peut produire une émission laser en l'absence de cavité optique, à partir de systèmes diffusants tels que des poudres semi-conductrices ou des matériaux organiques.

Dans ces milieux, la lumière ne se propage plus en ligne droite, mais suit une marche aléatoire (en zigzag) qui lui permet d'y séjourner plus longtemps avant de s'en échapper. Une nouvelle classe de lasers est née, où le milieu diffusant remplace la cavité optique du laser puissant 10000mw. Appelées « poudres laser », puis « lasers sans miroirs » ou encore « peintures laser », ces sources lumineuses ont finalement pris le nom de « lasers aléatoires ». Depuis, l'effet « laser aléatoire » a été observé dans tout le spectre lumineux et démontré dans de nombreux systèmes : nanocristaux, opales dopées, fibres optiques, nanopiliers, cristaux photoniques aléatoires, voire des tissus organiques comme le blanc de poulet !

La possibilité de concevoir un laser « sans miroir » ouvre des perspectives intéressantes. Par exemple, les lasers aléatoires pourraient se révéler très utiles dans l'ultraviolet, domaine spectral où il est difficile de fabriquer des miroirs. Autre enjeu important : comprendre le rôle du désordre dans les structures à cristaux photoniques souvent utilisées dans les micro-lasers. Les cristaux photoniques sont des structures périodiques minuscules qui modifient les propriétés de propagation de la lumière. Grâce à cette périodicité, ils constituent une sorte de cage qui force la lumière à effectuer des trajets dans le milieu amplificateur, à l'instar d'une cavité optique. Toutefois, il est difficile de fabriquer des structures parfaitement périodiques. L'émission due au désordre résiduel s'apparentant à la problématique du laser aléatoire, on utilise le savoir acquis sur ces lasers pour comprendre l'effet du désordre.

Laser de réglage

À ce jour, de nombreux pays, en particulier asiatiques, explorent les applications potentielles des lasers aléatoires : peintures laser, marquage, fabrication simplifiée de sources laser ultracompactes, détection de tumeurs… D'un point de vue plus fondamental, l'effet « laser aléatoire » soulève aussi des questions importantes comme la nature du champ laser dans ces systèmes sans cavité – a-t-il les mêmes caractéristiques que le champ laser classique ? –, à tel point que la théorie du pointeur laser 200mW a dû être récemment dépoussiérée pour inclure ce nouveau type de « laser ouvert ».

Dans un laser classique, les deux propriétés importantes de la lumière laser – sa pureté spectrale et la directivité de son émission – résultent de l'association du milieu actif et de la cavité optique. Comment, alors, obtenir une émission laser sans cavité ? Pour le comprendre, examinons ces deux propriétés du laser et la façon dont elles sont obtenues dans un rayon laser vert classique.

Le milieu actif est constitué d'atomes portés dans un état d'énergie supérieur par excitation optique ou électrique. Lorsqu'un atome se désexcite, il émet un grain de lumière ou photon. Le milieu actif amplifie de façon cohérente les photons émis spontanément par les atomes : un tel photon arrivant sur un atome excité provoque – « stimule » – la désexcitation de cet atome, qui émet un photon identique au photon incident.

« Que la lumière soit ! Et la lumière fut. » Ces phrases de la Genèse illustrent le rôle primordial de la lumière pour l'homme. Intri­gués par des phénomènes comme la forme des ombres, les reflets sur l'eau ou l'arc-en-ciel, les hommes ont toujours cherché à connaître les règles qui les régissent. Une double motivation les animait : la curiosité, mais aussi une meilleure satisfaction de leurs besoins. Ces deux aspects (en termes modernes : recherches fon­damentale et appliquée) sont restés intimement liés au cours de l'histoire de l'optique et le sont encore.

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http://blog.aujourdhui.com/jackxun/2508359/les-applications-du-laser.html





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