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RÉSUMÉ
Depuis son invention en 1960, le laser a toujours su se positionner sur de nouveaux domaines d’applications. Il est ainsi devenu un objet courant de la vie quotidienne et un acteur important des secteurs scientifiques et économiques. Même si les lasers présentent toutes sortes de caractéristiques physiques (dimension, longueur d’onde démission, puissance…), leurs fonctionnements reposent sur quelques principes communs. Après une brève description théorique de l’effet laser, cet article fait le point sur les différentes sources laser, pour donner ensuite au lecteur un panorama général des lasers et de leurs applications.
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Since its invention in 1960, the laser has found new areas of application. It has thus become a common object of daily life while having a significant impact in the scientific and economic fields There are lasers with all kinds of physical characteristics (size, emission wavelength, power ...), but their operation is based on a few common principles. After a brief theoretical description of the laser effect, this article focuses on the different laser sources, to then give the reader a general overview of lasers and their applications.
Auteur(s)
-
Hugues GUILLET DE CHATELLUS : Directeur de recherche au CNRS, docteur en physique de l’Université Bordeaux 1 - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, UMR 5588, - Saint-Martin-d’Hères, France
INTRODUCTION
L’invention du laser à rubis en 1960 par T. Maiman est l’aboutissement de travaux fondamentaux sur l’interaction entre la lumière et la matière entrepris dès le début du XXe siècle. Les lasers sont devenus, en soixante ans, un objet familier présent dans un nombre toujours croissant d’applications, tout en conservant malgré tout son caractère fascinant. La représentation courante d’un laser, popularisée en particulier par le cinéma, est celle d’un rayon de lumière colorée, qui illustre deux propriétés fondamentales des lasers : la nature spécifique du spectre – le contenu fréquentiel –, et la directivité du rayonnement. Par sa nature, un rayonnement laser est donc très différent des sources lumineuses habituelles (ampoule à incandescence, diode électroluminescente), dont le spectre est généralement large et la directivité faible. Il existe des lasers de toutes tailles, depuis des nanostructures de quelques dizaines de nanomètres, jusqu’aux systèmes laser de fusion contrôlée, qui occupent des bâtiments de plusieurs centaines de mètres. Les types de rayonnement émis sont également très divers, à la fois au niveau des longueurs d’onde (depuis les rayons X et l’UV lointain des lasers excimères, jusqu’à l’infrarouge des lasers CO2), et de la structure temporelle du rayonnement laser (des lasers continus jusqu'aux sources d'impulsions ultra-courtes : femtoseconde (10−15 s), voire attoseconde (10−18 s)). Enfin, les puissances lumineuses instantanées émises varient sur une très large plage, du nanowatt (10−9 W) jusqu’à l’exawatt (1018 W). Par ailleurs, dans un contexte technique et industriel en pleine évolution, les domaines d’application des lasers se sont très largement diversifiés, allant de l’usinage aux télécommunications, en passant par la chirurgie et les grands enjeux énergétiques actuels. Afin de proposer une vision globale des sources lasers, la première partie de cet article rappelle les principes communs des lasers : les mécanismes d’amplification lumineuse, l’effet de la cavité, puis la mise en forme spatiale et temporelle du rayonnement laser. La seconde partie s’applique à dresser un panorama général des sources laser, en fonction de leur domaine d’application.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
lasers | light sources | light-matter interaction
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1996 par Gilles BRASSART, Jean-Louis MEYZONNETTE, Jean-Paul POCHOLLE
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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3. Lasers et applications
Après avoir décrit les principes communs aux sources lasers et présenté quelques exemples de lasers usuels, la troisième partie de cet article vise à dresser un panorama général des applications actuelles des lasers.
3.1 Lasers pour l’industrie
La possibilité offerte par les lasers de déposer une puissance importante sur une petite surface par focalisation du faisceau a naturellement conduit à son utilisation dans l’industrie pour de nombreuses fonctions, telles que le perçage, la découpe, la soudure, l’ablation ou le marquage de nombreux matériaux. Bien évidemment, la solution technologique retenue dépend du type de matériau. Par exemple, la plupart des métaux réfléchissent fortement la lumière aux grandes longueurs d’onde, et absorbent aux courtes longueurs d’onde. De plus, l’épaisseur du matériau conditionne la mise en forme spatiale du faisceau (focalisation, divergence…).
-
Le perçage laser utilise généralement un train d’impulsions qui vaporisent le matériau couche après couche. L’efficacité du processus dépend de la capacité à évacuer les produits de fusion ou de vaporisation du matériau. Dans le cas de matériaux épais, l’ajustement de la focalisation du faisceau au cours du processus permet d’optimiser le perçage. Les techniques laser permettent de percer la plupart des matériaux, dont le diamant, avec des rapports profondeur/diamètre du trou supérieurs à 10. Les lasers utilisés pour le perçage sont généralement des lasers nanoseconde, du type Nd :YAG.
-
La découpe laser fonctionne sur le même principe. Les sources laser les plus utilisées sont les lasers CO2, qui délivrent jusqu’à 6 kW, les lasers Nd :YAG (2 kW), et maintenant les lasers à fibre. Ces deux dernières sources, qui opèrent autour de 1 µm, peuvent produire un spot 100 fois plus petit que celui du laser à CO2 (10 µm), et nécessitent donc des puissances bien plus faibles. Par ailleurs, les métaux absorbent plus faiblement à 10 µm qu’à 1 µm. La découpe laser a de nombreux avantages sur la découpe mécanique : possibilité de découpe de zones peu accessibles, absence d’usure due à l’absence de contact, précision supérieure, pas de contamination du matériau....
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Lasers et applications
BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Le laser – Fondamentaux. Cours de F. Balembois et N. Forget
http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M01_C01/co/OPI_fr_M01_C01_web_1.html
Les lasers : principe et applications. Cours vidéo M. Brunel
https://www.scienceaction.asso.fr/ressources/videos/lasers-principe-et-applications-les
Laser Fundamentals, Cours vidéo du MIT
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