Laser

Un laser est un appareil qui émet de la lumière grâce à un processus d' amplification optique basé sur l' émission stimulée de rayonnement électromagnétique . Le mot laser est un anacronyme qui est à l'origine un acronyme pour amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement . Le premier laser a été construit en 1960 par Theodore Maiman aux Hughes Research Laboratories , sur la base des travaux théoriques de Charles H. Townes et Arthur Leonard Schawlow .

Un laser diffère des autres sources lumineuses en ce qu'il émet une lumière cohérente . La cohérence spatiale permet à un laser d'être focalisé sur un point précis, ce qui permet des applications telles que la communication optique, la découpe au laser et la lithographie . Elle permet également à un faisceau laser de rester étroit sur de grandes distances ( collimation ), une caractéristique utilisée dans des applications telles que les pointeurs laser , le lidar et la communication optique en espace libre . Les lasers peuvent également avoir une cohérence temporelle élevée , ce qui leur permet d'émettre de la lumière avec un spectre de fréquence très étroit . La cohérence temporelle peut également être utilisée pour produire des impulsions lumineuses ultracourtes avec un large spectre mais des durées aussi courtes qu'une attoseconde .

Les lasers sont utilisés dans les lecteurs de disques optiques , les imprimantes laser , les scanners de codes-barres , les instruments de séquençage d'ADN , les communications optiques à fibre optique et en espace libre, la fabrication de puces semi-conductrices ( photolithographie , gravure ), la chirurgie au laser et les traitements cutanés, les matériaux de découpe et de soudage , les appareils militaires et policiers pour marquer des cibles et mesurer la distance et la vitesse, ainsi que dans les écrans d'éclairage laser pour le divertissement. Les lasers à semi-conducteurs dans le bleu au proche UV ont également été utilisés à la place des diodes électroluminescentes (DEL) pour exciter la fluorescence comme source de lumière blanche ; cela permet une zone d'émission beaucoup plus petite en raison du rayonnement beaucoup plus important d'un laser et évite la chute de luminosité subie par les LED ; de tels dispositifs sont déjà utilisés dans certains phares de voiture .

Le premier appareil utilisant l'amplification par émission stimulée fonctionnait à des fréquences micro-ondes et était appelé maser , pour « amplification micro-onde par émission stimulée de rayonnement ». Lorsque des appareils optiques similaires furent développés, ils furent d'abord appelés masers optiques , jusqu'à ce que « micro-onde » soit remplacé par « lumière » dans l'acronyme, pour devenir laser .

Aujourd'hui, tous ces dispositifs fonctionnant à des fréquences supérieures à celles des micro-ondes (environ au-dessus de 300 GHz ) sont appelés lasers (par exemple les lasers infrarouges , les lasers ultraviolets , les lasers à rayons X , les lasers à rayons gamma ), tandis que les dispositifs fonctionnant à des micro-ondes ou à des fréquences radio inférieures sont appelés masers.

Le verbe « laser » est fréquemment utilisé dans le domaine, signifiant « émettre une lumière cohérente », en particulier à propos du milieu de gain d'un laser ; lorsqu'un laser fonctionne, on dit qu'il « émet un laser ». Les termes laser et maser sont également utilisés pour les émissions cohérentes naturelles, comme dans le maser astrophysique et le laser atomique .

Un laser qui produit de la lumière par lui-même est techniquement un oscillateur optique plutôt qu'un amplificateur optique comme le suggère l'acronyme. Il a été noté avec humour que l'acronyme LOSER, pour « oscillation lumineuse par émission stimulée de rayonnement », aurait été plus correct. Avec l'utilisation généralisée de l'acronyme d'origine comme nom commun, les amplificateurs optiques sont désormais appelés amplificateurs laser .

Les photons , quanta de rayonnement électromagnétique, sont libérés et absorbés par les niveaux d'énergie des atomes et des molécules. Dans une ampoule ou une étoile, l'énergie est émise à partir de nombreux niveaux différents, ce qui donne des photons avec une large gamme d'énergies. Ce processus est appelé rayonnement thermique .

Le processus physique sous-jacent à la création de photons dans un laser est le même que dans le rayonnement thermique, mais l'émission réelle n'est pas le résultat de processus thermiques aléatoires. Au lieu de cela, la libération d'un photon est déclenchée par le passage à proximité d'un autre photon. C'est ce qu'on appelle l'émission stimulée . Pour que ce processus fonctionne, le photon qui passe doit avoir une énergie, et donc une longueur d'onde, similaire à celle qui pourrait être libérée par l'atome ou la molécule, et l'atome ou la molécule doit être dans l'état excité approprié.

Le photon émis par émission stimulée est identique au photon qui a déclenché son émission, et les deux photons peuvent déclencher une émission stimulée dans d'autres atomes, créant ainsi la possibilité d'une réaction en chaîne . Pour que cela se produise, de nombreux atomes ou molécules doivent être dans l'état excité approprié pour que les photons puissent les déclencher. Dans la plupart des matériaux, les atomes ou les molécules quittent assez rapidement leur état excité, ce qui rend difficile, voire impossible, la production d'une réaction en chaîne. Les matériaux choisis pour les lasers sont ceux qui ont des états métastables , qui restent excités pendant une durée relativement longue. En physique des lasers , un tel matériau est appelé milieu laser actif . Associé à une source d'énergie qui continue à « pomper » de l'énergie dans le matériau, il est possible d'avoir suffisamment d'atomes ou de molécules dans un état excité pour qu'une réaction en chaîne se développe.

Les lasers se distinguent des autres sources lumineuses par leur cohérence . La cohérence spatiale (ou transversale) s'exprime généralement par le fait que la sortie est un faisceau étroit, limité par la diffraction . Les faisceaux laser peuvent être focalisés sur de très petits points, ce qui permet d'obtenir une irradiance très élevée , ou ils peuvent avoir une divergence très faible pour concentrer leur puissance à une grande distance. La cohérence temporelle (ou longitudinale) implique une onde polarisée à une fréquence unique, dont la phase est corrélée sur une distance relativement grande (la longueur de cohérence ) le long du faisceau. Un faisceau produit par une source de lumière thermique ou autre source de lumière incohérente a une amplitude et une phase instantanées qui varient de manière aléatoire par rapport au temps et à la position, ayant ainsi une longueur de cohérence courte.

Les lasers sont caractérisés en fonction de leur longueur d'onde dans le vide . La plupart des lasers à « longueur d'onde unique » produisent un rayonnement dans plusieurs modes avec des longueurs d'onde légèrement différentes. Bien que la cohérence temporelle implique un certain degré de monochromaticité , certains lasers émettent un large spectre de lumière ou émettent simultanément différentes longueurs d'onde de lumière. Certains lasers ne sont pas à mode spatial unique et ont des faisceaux lumineux qui divergent plus que ce qui est requis par la limite de diffraction . Tous ces dispositifs sont classés comme « lasers » en fonction de la méthode de production de lumière par émission stimulée. Les lasers sont utilisés lorsque la lumière de la cohérence spatiale ou temporelle requise ne peut pas être produite à l'aide de technologies plus simples.

Un laser est constitué d'un milieu de gain , d'un mécanisme pour l'alimenter en énergie et d'un élément pour fournir une rétroaction optique . Le milieu de gain est un matériau dont les propriétés lui permettent d' amplifier la lumière par émission stimulée. La lumière d'une longueur d'onde spécifique qui traverse le milieu de gain est amplifiée (la puissance augmente). La rétroaction permet à l'émission stimulée d'amplifier principalement la fréquence optique au sommet de la courbe gain-fréquence. Au fur et à mesure que l'émission stimulée augmente, une fréquence finit par dominer toutes les autres, ce qui signifie qu'un faisceau cohérent a été formé.

Le processus d'émission stimulée est analogue à celui d'un oscillateur audio avec rétroaction positive qui peut se produire, par exemple, lorsque le haut-parleur d'un système de sonorisation est placé à proximité du microphone. Le cri que l'on entend est une oscillation audio au sommet de la courbe gain-fréquence de l'amplificateur.

Pour que le milieu amplificateur puisse amplifier la lumière, il doit être alimenté en énergie dans un processus appelé pompage . L'énergie est généralement fournie sous forme de courant électrique ou de lumière à une longueur d'onde différente. La lumière de pompage peut être fournie par une lampe flash ou par un autre laser.

Le type de laser le plus courant utilise la rétroaction d'une cavité optique , une paire de miroirs situés à chaque extrémité du milieu de gain. La lumière rebondit entre les miroirs, traverse le milieu de gain et est amplifiée à chaque fois. En général, l'un des deux miroirs, le coupleur de sortie , est partiellement transparent. Une partie de la lumière s'échappe à travers ce miroir. Selon la conception de la cavité (que les miroirs soient plats ou incurvés ), la lumière sortant du laser peut s'étaler ou former un faisceau étroit . Par analogie avec les oscillateurs électroniques , ce dispositif est parfois appelé oscillateur laser .

La plupart des lasers pratiques contiennent des éléments supplémentaires qui affectent les propriétés de la lumière émise, comme la polarisation, la longueur d'onde et la forme du faisceau.

Les électrons et la façon dont ils interagissent avec les champs électromagnétiques sont importants dans notre compréhension de la chimie et de la physique .

Dans la vision classique , l'énergie d'un électron en orbite autour d'un noyau atomique est plus grande pour les orbites plus éloignées du noyau d'un atome . Cependant, les effets de la mécanique quantique forcent les électrons à prendre des positions discrètes dans les orbitales . Ainsi, les électrons se trouvent dans des niveaux d'énergie spécifiques d'un atome, dont deux sont présentés ci-dessous :

Un électron dans un atome peut absorber l'énergie de la lumière ( photons ) ou de la chaleur ( phonons ) uniquement s'il existe une transition entre des niveaux d'énergie qui correspondent à l'énergie transportée par le photon ou le phonon. Pour la lumière, cela signifie que toute transition donnée n'absorbera qu'une seule longueur d'onde de lumière particulière . Les photons ayant la bonne longueur d'onde peuvent faire passer un électron du niveau d'énergie inférieur au niveau d'énergie supérieur. Le photon est consommé dans ce processus.

Lorsqu'un électron est excité d'un état à un autre à un niveau d'énergie supérieur avec une différence d'énergie ΔE, il ne restera pas ainsi indéfiniment. Finalement, un photon sera créé spontanément à partir du vide avec une énergie ΔE. En conservant l'énergie, l'électron passe à un niveau d'énergie inférieur qui n'est pas occupé, les transitions vers différents niveaux ayant des constantes de temps différentes. Ce processus est appelé émission spontanée . L'émission spontanée est un effet de la mécanique quantique et une manifestation physique directe du principe d'incertitude de Heisenberg . Le photon émis a une direction aléatoire, mais sa longueur d'onde correspond à la longueur d'onde d'absorption de la transition. C'est le mécanisme de la fluorescence et de l'émission thermique .

Un photon ayant la longueur d'onde adéquate pour être absorbé par une transition peut également provoquer la chute d'un électron du niveau supérieur au niveau inférieur, émettant ainsi un nouveau photon. Le photon émis correspond exactement au photon d'origine en termes de longueur d'onde, de phase et de direction. Ce processus est appelé émission stimulée.

Le milieu de gain est mis dans un état excité par une source d'énergie externe. Dans la plupart des lasers, ce milieu est constitué d'une population d'atomes qui ont été excités dans cet état à l'aide d'une source de lumière externe ou d'un champ électrique qui fournit de l'énergie aux atomes pour qu'ils l'absorbent et se transforment en leurs états excités.

Le milieu de gain d'un laser est normalement un matériau de pureté, de taille, de concentration et de forme contrôlées, qui amplifie le faisceau par le processus d'émission stimulée décrit ci-dessus. Ce matériau peut être de n'importe quel état : gaz, liquide, solide ou plasma . Le milieu de gain absorbe l'énergie de pompage, ce qui élève certains électrons dans des états quantiques d'énergie supérieure (« excités ») . Les particules peuvent interagir avec la lumière en absorbant ou en émettant des photons. L'émission peut être spontanée ou stimulée. Dans ce dernier cas, le photon est émis dans la même direction que la lumière qui passe. Lorsque le nombre de particules dans un état excité dépasse le nombre de particules dans un état d'énergie inférieure, une inversion de population est obtenue. Dans cet état, le taux d'émission stimulée est supérieur au taux d'absorption de la lumière dans le milieu, et donc la lumière est amplifiée. Un système avec cette propriété est appelé amplificateur optique . Lorsqu'un amplificateur optique est placé à l'intérieur d'une cavité optique résonante, on obtient un laser.

Pour les milieux laser à gain extrêmement élevé, dits de superluminescence , la lumière peut être suffisamment amplifiée en un seul passage à travers le milieu de gain sans nécessiter de résonateur. Bien que souvent désigné comme un laser (voir, par exemple, le laser à azote ), la sortie lumineuse d'un tel dispositif n'a pas la cohérence spatiale et temporelle réalisable avec les lasers. Un tel dispositif ne peut pas être décrit comme un oscillateur mais plutôt comme un amplificateur optique à gain élevé qui amplifie son émission spontanée. Le même mécanisme décrit les masers /lasers astrophysiques.

Le résonateur optique est parfois appelé « cavité optique », mais c'est une appellation erronée : les lasers utilisent des résonateurs ouverts par opposition à la cavité littérale qui serait utilisée aux fréquences micro-ondes dans un maser . Le résonateur se compose généralement de deux miroirs entre lesquels un faisceau de lumière cohérent se déplace dans les deux sens, se réfléchissant sur lui-même de sorte qu'un photon moyen traverse le milieu de gain à plusieurs reprises avant d'être émis par l'ouverture de sortie ou perdu par diffraction ou absorption. Si le gain (amplification) dans le milieu est supérieur aux pertes du résonateur, alors la puissance de la lumière en recirculation peut augmenter de manière exponentielle . Mais chaque événement d'émission stimulée renvoie un atome de son état excité à l'état fondamental, réduisant le gain du milieu. Avec l'augmentation de la puissance du faisceau, le gain net (gain moins perte) se réduit à l'unité et le milieu de gain est dit saturé. Dans un laser à onde continue (CW), l'équilibre entre la puissance de pompage, la saturation du gain et les pertes de cavité produit une valeur d'équilibre de la puissance laser à l'intérieur de la cavité ; Cet équilibre détermine le point de fonctionnement du laser. Si la puissance de pompage appliquée est trop faible, le gain ne sera jamais suffisant pour surmonter les pertes de la cavité et la lumière laser ne sera pas produite. La puissance de pompage minimale nécessaire pour commencer l'action laser est appelée seuil d'effet laser . Le milieu de gain amplifiera tous les photons qui le traversent, quelle que soit leur direction ; mais seuls les photons dans un mode spatial pris en charge par le résonateur traverseront plus d'une fois le milieu et recevront une amplification substantielle.

Dans la plupart des lasers, l'effet laser commence par une émission spontanée dans le mode laser. Cette lumière initiale est ensuite amplifiée par une émission stimulée dans le milieu de gain. L'émission stimulée produit une lumière qui correspond au signal d'entrée en termes de direction, de longueur d'onde et de polarisation, tandis que la phase de la lumière émise est à 90 degrés en avance de la lumière stimulante. Ceci, combiné à l'effet de filtrage du résonateur optique, donne à la lumière laser sa cohérence caractéristique et peut lui donner une polarisation uniforme et une monochromaticité, selon la conception du résonateur. La largeur de ligne laser fondamentale de la lumière émise par le résonateur laser peut être de plusieurs ordres de grandeur plus étroite que la largeur de ligne de la lumière émise par le résonateur passif. Certains lasers utilisent un semoir d'injection séparé pour démarrer le processus avec un faisceau déjà très cohérent. Cela peut produire des faisceaux avec un spectre plus étroit que ce qui serait autrement possible.

En 1963, Roy J. Glauber a montré que les états cohérents sont formés à partir de combinaisons d' états de nombres de photons , ce qui lui a valu le prix Nobel de physique . Un faisceau de lumière cohérent est formé d'états de photons quantiques à fréquence unique distribués selon une distribution de Poisson . En conséquence, le taux d'arrivée des photons dans un faisceau laser est décrit par la statistique de Poisson.

De nombreux lasers produisent un faisceau qui peut être considéré comme un faisceau gaussien ; ces faisceaux ont la divergence minimale possible pour un diamètre de faisceau donné. Certains lasers, en particulier ceux de haute puissance, produisent des faisceaux multimodes, les modes transversaux étant souvent approximés à l'aide de fonctions Hermite - Gaussiennes ou Laguerre -Gaussiennes. Certains lasers de haute puissance utilisent un profil à sommet plat connu sous le nom de « faisceau chapeau haut de forme ». Les résonateurs laser instables (non utilisés dans la plupart des lasers) produisent des faisceaux de forme fractale. Des systèmes optiques spécialisés peuvent produire des géométries de faisceau plus complexes, telles que des faisceaux de Bessel et des vortex optiques .

Près de la « taille » (ou région focale ) d'un faisceau laser, celui-ci est fortement collimaté : les fronts d'onde sont plans, normaux à la direction de propagation, sans divergence de faisceau à ce point. Cependant, en raison de la diffraction , cela ne peut rester vrai que dans la gamme de Rayleigh . Le faisceau d'un laser à mode transversal unique (faisceau gaussien) diverge finalement sous un angle qui varie inversement au diamètre du faisceau, comme l'exige la théorie de la diffraction . Ainsi, le « faisceau crayon » directement généré par un laser hélium-néon classique s'étendrait sur une taille d'environ 500 kilomètres lorsqu'il serait éclairé sur la Lune (à partir de la distance de la Terre). D'un autre côté, la lumière d'un laser à semi-conducteur sort généralement du minuscule cristal avec une grande divergence : jusqu'à 50°. Cependant, même un tel faisceau divergent peut être transformé en un faisceau collimaté similaire en utilisant un système de lentilles , comme c'est toujours le cas, par exemple, dans un pointeur laser dont la lumière provient d'une diode laser . Cela est possible grâce au fait que la lumière est d'un seul mode spatial. Cette propriété unique de la lumière laser, la cohérence spatiale , ne peut pas être reproduite à l'aide de sources lumineuses standard (sauf en éliminant la majeure partie de la lumière), comme on peut s'en rendre compte en comparant le faisceau d'une lampe de poche (torche) ou d'un projecteur à celui de presque tous les lasers.

Un profileur de faisceau laser est utilisé pour mesurer le profil d’intensité, la largeur et la divergence des faisceaux laser.

La réflexion diffuse d’un faisceau laser sur une surface mate produit un motif moucheté aux propriétés intéressantes.

Le mécanisme de production de rayonnement dans un laser repose sur l'émission stimulée , où l'énergie est extraite d'une transition dans un atome ou une molécule. Il s'agit d'un phénomène quantique qui a été prédit par Albert Einstein , qui a établi la relation entre le coefficient A , décrivant l'émission spontanée, et le coefficient B qui s'applique à l'absorption et à l'émission stimulée. Dans le cas du laser à électrons libres , les niveaux d'énergie atomique n'interviennent pas ; il semble que le fonctionnement de cet appareil plutôt exotique puisse être expliqué sans référence à la mécanique quantique .

Un laser peut être classé comme fonctionnant en mode continu ou pulsé, selon que la puissance délivrée est essentiellement continue dans le temps ou que sa sortie prend la forme d'impulsions lumineuses sur une échelle de temps ou une autre. Bien entendu, même un laser dont la sortie est normalement continue peut être intentionnellement allumé et éteint à une certaine vitesse pour créer des impulsions lumineuses. Lorsque la vitesse de modulation est sur des échelles de temps bien plus lentes que la durée de vie de la cavité et la période pendant laquelle l'énergie peut être stockée dans le milieu laser ou le mécanisme de pompage, il est alors toujours classé comme un laser à onde continue « modulé » ou « pulsé ». La plupart des diodes laser utilisées dans les systèmes de communication entrent dans cette catégorie.

Certaines applications des lasers dépendent d'un faisceau dont la puissance de sortie est constante dans le temps. Un tel laser est connu sous le nom de laser à onde continue ( CW ). De nombreux types de lasers peuvent être conçus pour fonctionner en mode onde continue pour répondre à une telle application. Beaucoup de ces lasers fonctionnent dans plusieurs modes longitudinaux en même temps, et les battements entre les fréquences optiques légèrement différentes de ces oscillations produiront des variations d'amplitude sur des échelles de temps plus courtes que le temps d'aller-retour (l'inverse de l' espacement de fréquence entre les modes), généralement quelques nanosecondes ou moins. Dans la plupart des cas, ces lasers sont toujours qualifiés d'"ondes continues" car leur puissance de sortie est stable lorsqu'elle est moyennée sur des périodes plus longues, les variations de puissance à très haute fréquence n'ayant que peu ou pas d'impact sur l'application prévue. (Cependant, le terme ne s'applique pas aux lasers à mode verrouillé , où l' intention est de créer des impulsions très courtes au rythme du temps d'aller-retour.)

Pour un fonctionnement en onde continue, l'inversion de population du milieu de gain doit être continuellement réapprovisionnée par une source de pompage stable. Dans certains milieux laser, cela est impossible. Dans d'autres lasers, il faudrait pomper le laser à un niveau de puissance continu très élevé, ce qui serait peu pratique, ou détruire le laser en produisant une chaleur excessive. De tels lasers ne peuvent pas fonctionner en mode CW.

Le fonctionnement pulsé des lasers fait référence à tout laser qui n'est pas classé comme une onde continue, de sorte que la puissance optique apparaît sous forme d'impulsions d'une certaine durée à une certaine fréquence de répétition. Cela englobe un large éventail de technologies répondant à de nombreuses motivations différentes. Certains lasers sont pulsés simplement parce qu'ils ne peuvent pas fonctionner en mode continu.

Dans d'autres cas, l'application nécessite la production d'impulsions ayant une énergie aussi élevée que possible. Comme l'énergie d'impulsion est égale à la puissance moyenne divisée par le taux de répétition, cet objectif peut parfois être atteint en diminuant le taux d'impulsions afin de pouvoir accumuler plus d'énergie entre les impulsions. Dans l'ablation laser , par exemple, un petit volume de matériau à la surface d'une pièce peut s'évaporer s'il est chauffé en très peu de temps, tandis qu'un apport d'énergie progressif permettrait à la chaleur d'être absorbée dans la masse de la pièce, sans jamais atteindre une température suffisamment élevée à un moment donné.

D'autres applications s'appuient sur la puissance de crête de l'impulsion (plutôt que sur l'énergie de l'impulsion), notamment pour obtenir des effets optiques non linéaires . Pour une énergie d'impulsion donnée, cela nécessite de créer des impulsions de la durée la plus courte possible en utilisant des techniques telles que le Q-switching .

La largeur de bande optique d'une impulsion ne peut pas être inférieure à l'inverse de la largeur de l'impulsion. Dans le cas d'impulsions extrêmement courtes, cela implique une émission laser sur une largeur de bande considérable, contrairement aux largeurs de bande très étroites typiques des lasers CW. Le milieu laser de certains lasers à colorant et lasers à solide vibroniques produit un gain optique sur une large largeur de bande, ce qui permet de créer un laser capable de générer des impulsions lumineuses aussi courtes que quelques femtosecondes (10 ⁻¹⁵ s).

Dans un laser à commutation Q, l'inversion de population est autorisée à se développer en introduisant une perte à l'intérieur du résonateur qui dépasse le gain du milieu ; cela peut également être décrit comme une réduction du facteur de qualité ou « Q » de la cavité. Ensuite, une fois que l'énergie de pompage stockée dans le milieu laser a approché le niveau maximum possible, le mécanisme de perte introduit (souvent un élément électro- ou acousto-optique) est rapidement supprimé (ou se produit de lui-même dans un dispositif passif), ce qui permet au laser de commencer à obtenir rapidement l'énergie stockée dans le milieu de gain. Il en résulte une impulsion courte incorporant cette énergie, et donc une puissance de crête élevée.

Un laser à modes verrouillés est capable d'émettre des impulsions extrêmement courtes, de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes jusqu'à moins de 10 femtosecondes . Ces impulsions se répètent au temps d'aller-retour, c'est-à-dire le temps nécessaire à la lumière pour effectuer un aller-retour entre les miroirs constituant le résonateur. En raison de la limite de Fourier (également appelée incertitude énergie-temps ), une impulsion d'une durée temporelle aussi courte a un spectre étalé sur une bande passante considérable. Ainsi, un tel milieu de gain doit avoir une bande passante de gain suffisamment large pour amplifier ces fréquences. Un exemple de matériau approprié est le saphir artificiel dopé au titane ( Ti:saphir ), qui a une bande passante de gain très large et peut donc produire des impulsions d'une durée de quelques femtosecondes seulement.

Ces lasers à verrouillage de mode sont un outil très polyvalent pour la recherche de processus se produisant sur des échelles de temps extrêmement courtes (connues sous le nom de physique femtoseconde, chimie femtoseconde et science ultrarapide ), pour maximiser l'effet de non-linéarité dans les matériaux optiques (par exemple dans la génération de seconde harmonique , la conversion descendante paramétrique , les oscillateurs paramétriques optiques et autres). Contrairement à l'impulsion géante d'un laser à commutation Q, les impulsions consécutives d'un laser à verrouillage de mode sont cohérentes en phase ; c'est-à-dire que les impulsions (et pas seulement leurs enveloppes ) sont identiques et parfaitement périodiques. Pour cette raison, et les puissances de crête extrêmement élevées atteintes par des impulsions aussi courtes, ces lasers sont inestimables dans certains domaines de recherche.

Une autre méthode pour obtenir un fonctionnement laser pulsé consiste à pomper le matériau laser avec une source elle-même pulsée, soit par charge électronique dans le cas de lampes flash, soit par un autre laser déjà pulsé. Le pompage pulsé était historiquement utilisé avec les lasers à colorant où la durée de vie de la population inversée d'une molécule de colorant était si courte qu'un pompage rapide à haute énergie était nécessaire. Le moyen de surmonter ce problème était de charger de gros condensateurs qui sont ensuite commutés pour se décharger via des lampes flash, produisant un flash intense. Le pompage pulsé est également nécessaire pour les lasers à trois niveaux dans lesquels le niveau d'énergie inférieur devient rapidement très peuplé, empêchant toute autre action laser jusqu'à ce que ces atomes se relâchent vers l'état fondamental. Ces lasers, tels que le laser excimer et le laser à vapeur de cuivre, ne peuvent jamais fonctionner en mode CW.

En 1917, Albert Einstein établit les fondements théoriques du laser et du maser dans son article « Zur Quantentheorie der Strahlung » (« Sur la théorie quantique du rayonnement ») via une nouvelle dérivation de la loi de rayonnement de Max Planck , basée conceptuellement sur les coefficients de probabilité ( coefficients d'Einstein ) pour l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée du rayonnement électromagnétique. En 1928, Rudolf W. Ladenburg confirme l'existence des phénomènes d'émission stimulée et d'absorption négative. 1939, Valentin A. Fabrikant prédit l'utilisation de l'émission stimulée pour amplifier les ondes « courtes ». En 1947, Willis E. Lamb et R. C. Retherford découvrent une émission stimulée apparente effectuent la première démonstration d'émission stimulée. En 1950, Alfred Kastler (prix Nobel de physique 1966) a proposé la méthode de pompage optique , qui a été démontrée expérimentalement deux ans plus tard par Brossel, Kastler et Winter.

En 1951, Joseph Weber a présenté un article sur l'utilisation d'émissions stimulées pour fabriquer un amplificateur à micro-ondes à la conférence de recherche sur les tubes à vide de l'Institute of Radio Engineers de juin 1952 à Ottawa , en Ontario, au Canada. Après cette présentation, RCA a demandé à Weber de donner un séminaire sur cette idée, et Charles H. Townes lui a demandé une copie de l'article.

En 1953, Charles H. Townes et ses étudiants diplômés James P. Gordon et Herbert J. Zeiger produisirent le premier amplificateur micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires au laser, mais amplifiant le rayonnement micro-ondes plutôt que le rayonnement infrarouge ou visible. Le maser de Townes était incapable de produire une sortie continue. Pendant ce temps, en Union soviétique, Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov travaillaient indépendamment sur l' oscillateur quantique et résolvaient le problème des systèmes à sortie continue en utilisant plus de deux niveaux d'énergie. Ces milieux de gain pouvaient libérer des émissions stimulées entre un état excité et un état excité inférieur, et non l'état fondamental, facilitant le maintien d'une inversion de population . En 1955, Prokhorov et Basov suggérèrent le pompage optique d'un système à plusieurs niveaux comme méthode pour obtenir l'inversion de population, qui devint plus tard une méthode principale de pompage laser.

Townes rapporte que plusieurs physiciens éminents, parmi lesquels Niels Bohr , John von Neumann et Llewellyn Thomas, ont soutenu que le maser violait le principe d'incertitude de Heisenberg et ne pouvait donc pas fonctionner. D'autres, comme Isidor Rabi et Polykarp Kusch, pensaient que ce serait irréaliste et que cela ne valait pas la peine de faire des efforts. En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov ont partagé le prix Nobel de physique , « pour des travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui ont conduit à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe maser-laser ».

En avril 1957, l'ingénieur japonais Jun-ichi Nishizawa a proposé le concept de « maser optique à semi-conducteur » dans une demande de brevet.

La même année, Charles H. Townes et Arthur Leonard Schawlow, alors aux Bell Labs , ont commencé une étude sérieuse des « masers optiques » infrarouges. Au fur et à mesure que les idées se développaient, ils abandonnèrent le rayonnement infrarouge pour se concentrer plutôt sur la lumière visible . En 1958, les Bell Labs déposèrent une demande de brevet pour leur maser optique proposé ; et Schawlow et Townes soumit un manuscrit de leurs calculs théoriques à la Physical Review , qui fut publié en 1958.

Simultanément, Gordon Gould, étudiant diplômé de l'Université Columbia, travaillait sur une thèse de doctorat sur les niveaux d'énergie du thallium excité . Lorsque Gould et Townes se rencontrèrent, ils parlèrent de l' émission de rayonnement , en tant que sujet général ; par la suite, en novembre 1957, Gould nota ses idées sur la façon dont un « laser » pourrait être fabriqué, notamment en utilisant un résonateur ouvert (un composant essentiel d'un dispositif laser). En 1958, Prokhorov proposa indépendamment l'utilisation d'un résonateur ouvert, la première apparition publiée de cette idée. La même année, Bell Labs déposa une demande de brevet pour leur maser optique proposé, et Schawlow et Townes soumit un manuscrit de leurs calculs théoriques à la Physical Review , qui fut publié en 1958.

Lors d'une conférence en 1959, Gordon Gould a publié pour la première fois l'acronyme « LASER » dans l'article The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . L'intention de Gould était que différents acronymes « -ASER » soient utilisés pour différentes parties du spectre : « XASER » pour les rayons X, « UVASER » pour les ultraviolets, « RASER » pour les ondes radio, etc. Au lieu de cela, le terme « LASER » a fini par être utilisé pour tous les appareils fonctionnant à des longueurs d'onde plus courtes que les micro-ondes.

Les notes de Gould comprenaient des applications possibles du laser, telles que les télécommunications optiques, la spectrométrie , l'interférométrie , le radar et la fusion nucléaire . Il a continué à développer l'idée et a déposé une demande de brevet en avril 1959. L' Office américain des brevets et des marques (USPTO) a rejeté sa demande et a accordé un brevet à Bell Labs en 1960. Cela a provoqué un procès de vingt-huit ans , avec le prestige scientifique et l'argent comme enjeux. Gould a remporté son premier brevet mineur en 1977, mais ce n'est qu'en 1987 qu'il a remporté la première victoire significative en matière de brevets lorsqu'un juge fédéral a ordonné à l'USPTO de délivrer des brevets à Gould pour les dispositifs laser à pompage optique et à décharge de gaz . La question de savoir comment attribuer le mérite de l'invention du laser reste sans réponse pour les historiens.

Le 16 mai 1960, Theodore H. Maiman a utilisé le premier laser fonctionnel aux Hughes Research Laboratories , à Malibu, en Californie, avant plusieurs équipes de recherche, dont celles de Townes, à l'université de Columbia , Arthur L. Schawlow , aux Bell Labs , et Gould, à la société TRG (Technical Research Group). Le laser fonctionnel de Maiman utilisait un cristal de rubis synthétique pompé par lampe flash pour produire une lumière laser rouge à une longueur d'onde de 694 nanomètres. L'appareil n'était capable de fonctionner que par impulsions, en raison de son schéma de conception de pompage à trois niveaux. Plus tard cette année-là, le physicien iranien Ali Javan , William R. Bennett Jr. et Donald R. Herriott ont construit le premier laser à gaz , utilisant de l'hélium et du néon , capable de fonctionner en continu dans l'infrarouge (brevet américain 3 149 290) ; En 1962, Robert N. Hall a présenté le premier laser à semi-conducteur , qui était fait d' arséniure de gallium et émis dans la bande proche infrarouge du spectre à 850 nm. Plus tard dans l'année, Nick Holonyak Jr. a présenté le premier laser à semi-conducteur avec une émission visible. Ce premier laser à semi-conducteur ne pouvait être utilisé qu'en fonctionnement à faisceau pulsé et lorsqu'il était refroidi à des températures d'azote liquide (77 K). En 1970, Zhores Alferov , en URSS, et Izuo Hayashi et Morton Panish des Bell Labs ont également développé indépendamment des lasers à diode à température ambiante et à fonctionnement continu, en utilisant la structure à hétérojonction .

Depuis les débuts de l'histoire du laser, la recherche sur le laser a produit une variété de types de lasers améliorés et spécialisés, optimisés pour différents objectifs de performance, notamment :

• nouvelles bandes de longueurs d'onde
• puissance de sortie moyenne maximale
• énergie d'impulsion de crête maximale
• puissance d'impulsion de crête maximale
• durée minimale de l'impulsion de sortie
• largeur de ligne minimale
• efficacité énergétique maximale
• coût minimum

et cette recherche continue à ce jour.

En 2015, des chercheurs ont fabriqué un laser blanc, dont la lumière est modulée par une nanofeuille synthétique composée de zinc, de cadmium, de soufre et de sélénium, capable d'émettre de la lumière rouge, verte et bleue dans des proportions variables, chaque longueur d'onde s'étendant sur 191 nm.

En 2017, des chercheurs de l' Université de technologie de Delft ont présenté un laser micro-ondes à jonction Josephson AC . Comme le laser fonctionne dans le régime supraconducteur, il est plus stable que les autres lasers à semi-conducteurs. Le dispositif a le potentiel d'être utilisé dans l'informatique quantique . En 2017, des chercheurs de l' Université technique de Munich ont présenté le plus petit laser à verrouillage de mode capable d'émettre des paires d'impulsions laser picosecondes à verrouillage de phase avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 200 GHz.

En 2017, des chercheurs du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en collaboration avec des chercheurs américains du JILA , un institut commun du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l' Université du Colorado à Boulder , ont établi un nouveau record du monde en développant un laser à fibre dopé à l'erbium avec une largeur de ligne de seulement 10 millihertz.

Après l'invention du laser à gaz HeNe, de nombreuses autres décharges de gaz ont été découvertes pour amplifier la lumière de manière cohérente. Des lasers à gaz utilisant de nombreux gaz différents ont été construits et utilisés à de nombreuses fins. Le laser hélium-néon (HeNe) peut fonctionner à de nombreuses longueurs d'onde différentes, cependant, la grande majorité est conçue pour émettre un laser à 633 nm ; ces lasers relativement peu coûteux mais hautement cohérents sont extrêmement courants dans les laboratoires de recherche et d'enseignement optiques. Les lasers commerciaux au dioxyde de carbone (CO2 ₎ peuvent émettre plusieurs centaines de watts dans un seul mode spatial qui peut être concentré dans un minuscule point. Cette émission se situe dans l'infrarouge thermique à 10,6 μm ; de tels lasers sont régulièrement utilisés dans l'industrie pour la découpe et le soudage. L'efficacité d'un laser CO2 _est inhabituellement élevée : plus de 30 %. à ions argon peuvent fonctionner à plusieurs transitions laser entre 351 et 528,7 nm. Selon la conception optique, une ou plusieurs de ces transitions peuvent émettre simultanément ; Les lignes les plus couramment utilisées sont 458 nm, 488 nm et 514,5 nm. Un laser à décharge électrique transversale à l'azote dans un gaz à pression atmosphérique (TEA) est un laser à gaz peu coûteux, souvent construit par des amateurs, qui produit une lumière UV plutôt incohérente à 337,1 nm. Les lasers à ions métalliques sont des lasers à gaz qui génèrent des longueurs d'onde ultraviolettes profondes . L'hélium -argent (HeAg) 224 nm et le néon -cuivre (NeCu) 248 nm en sont deux exemples. Comme tous les lasers à gaz basse pression, les milieux de gain de ces lasers ont des largeurs de ligne d'oscillation assez étroites , inférieures à 3 GHz (0,5 picomètre ), ce qui en fait des candidats à une utilisation en spectroscopie Raman à fluorescence supprimée .

L'émission laser sans maintenir le milieu excité dans une inversion de population a été démontrée en 1992 dans du gaz de sodium et à nouveau en 1995 dans du gaz de rubidium par diverses équipes internationales. Ceci a été accompli en utilisant un maser externe pour induire une « transparence optique » dans le milieu en introduisant et en interférant de manière destructive les transitions d'électrons de base entre deux chemins de sorte que la probabilité que les électrons de base absorbent une quelconque énergie a été annulée.

Les lasers chimiques sont alimentés par une réaction chimique permettant de libérer rapidement une grande quantité d'énergie. Ces lasers de très haute puissance intéressent particulièrement le secteur militaire ; cependant, des lasers chimiques à onde continue de très haute puissance, alimentés par des flux de gaz, ont été développés et ont quelques applications industrielles. À titre d'exemple, dans le laser au fluorure d'hydrogène (2700–2900 nm) et le laser au fluorure de deutérium (3800 nm), la réaction est la combinaison de gaz d'hydrogène ou de deutérium avec des produits de combustion d' éthylène dans du trifluorure d'azote .

Les lasers excimères sont un type particulier de laser à gaz alimenté par une décharge électrique dans lequel le milieu laser est un excimère , ou plus précisément un exciplex dans les conceptions existantes. Ce sont des molécules qui ne peuvent exister qu'avec un atome dans un état électronique excité . Une fois que la molécule transfère son énergie d'excitation à un photon, ses atomes ne sont plus liés les uns aux autres et la molécule se désintègre. Cela réduit considérablement la population de l'état d'énergie inférieur, facilitant ainsi grandement une inversion de population. Les excimères actuellement utilisés sont tous des composés de gaz nobles ; les gaz nobles sont chimiquement inertes et ne peuvent former des composés que dans un état excité. Les lasers excimères fonctionnent généralement à des longueurs d' onde ultraviolettes , avec des applications majeures telles que la photolithographie à semi-conducteurs et la chirurgie oculaire LASIK . Les molécules excimères couramment utilisées comprennent ArF (émission à 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) et XeF (351 nm). Le laser au fluor moléculaire , émettant à 157 nm dans l'ultraviolet sous vide, est parfois appelé laser excimère ; cependant, cela semble être une appellation erronée puisque F ₂ est un composé stable.

Les lasers à l'état solide utilisent une tige cristalline ou en verre « dopée » avec des ions qui fournissent les états énergétiques requis. Par exemple, le premier laser fonctionnel était un laser à rubis , fabriqué à partir de rubis ( corindon dopé au chrome ). L' inversion de population est maintenue dans le dopant. Ces matériaux sont pompés optiquement à l'aide d'une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde laser, souvent à partir d'un tube flash ou d'un autre laser. L'utilisation du terme « état solide » en physique laser est plus restreinte que dans l'usage habituel. Les lasers à semi-conducteurs (diodes laser) ne sont généralement pas appelés lasers à l'état solide.

Le néodyme est un dopant courant dans divers cristaux laser à l'état solide, notamment l'orthovanadate d'yttrium ( Nd:YVO ₄ ), le fluorure d'yttrium-lithium ( Nd:YLF ) et le grenat d'yttrium-aluminium ( Nd:YAG ). Tous ces lasers peuvent produire des puissances élevées dans le spectre infrarouge à 1064 nm. Ils sont utilisés pour la découpe, le soudage et le marquage des métaux et d'autres matériaux, ainsi qu'en spectroscopie et pour le pompage des lasers à colorant . Ces lasers sont également couramment doublés , triplés ou quadruplés en fréquence pour produire respectivement des faisceaux de 532 nm (vert, visible), 355 nm et 266 nm ( UV ). Les lasers à l'état solide pompés par diode à fréquence doublée (DPSS) sont utilisés pour fabriquer des pointeurs laser verts brillants.

L'ytterbium , l'holmium , le thulium et l'erbium sont d'autres « dopants » courants dans les lasers à solide. L'ytterbium est utilisé dans des cristaux tels que Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF ₂ , fonctionnant généralement autour de 1020–1050 nm. Ils sont potentiellement très efficaces et très puissants en raison d'un petit défaut quantique. Des puissances extrêmement élevées dans des impulsions ultracourtes peuvent être obtenues avec Yb:YAG. Les cristaux YAG dopés à l'holmium émettent à 2097 nm et forment un laser efficace fonctionnant à des longueurs d'onde infrarouges fortement absorbées par les tissus aqueux. Le Ho-YAG est généralement utilisé en mode pulsé et passé à travers des dispositifs chirurgicaux à fibre optique pour resurfacer les articulations, éliminer la pourriture des dents, vaporiser les cancers et pulvériser les calculs rénaux et biliaires.

Le saphir dopé au titane ( Ti:saphir ) produit un laser infrarouge hautement accordable , couramment utilisé pour la spectroscopie . Il est également remarquable pour son utilisation comme laser à mode verrouillé produisant des impulsions ultracourtes de puissance de crête extrêmement élevée.

Les limitations thermiques des lasers à l'état solide proviennent de la puissance de pompage non convertie qui chauffe le milieu. Cette chaleur, lorsqu'elle est couplée à un coefficient thermo-optique élevé (d n /d T ), peut provoquer un effet de lentille thermique et réduire l'efficacité quantique. Les lasers à disque mince pompés par diode surmontent ces problèmes en ayant un milieu de gain beaucoup plus fin que le diamètre du faisceau de pompage. Cela permet une température plus uniforme dans le matériau. Il a été démontré que les lasers à disque mince produisent des faisceaux allant jusqu'à un kilowatt.

Les lasers à l'état solide ou les amplificateurs laser dans lesquels la lumière est guidée par réflexion interne totale dans une fibre optique monomode sont plutôt appelés lasers à fibre . Le guidage de la lumière permet des régions de gain extrêmement longues, offrant de bonnes conditions de refroidissement ; les fibres ont un rapport surface/volume élevé qui permet un refroidissement efficace. De plus, les propriétés de guidage d'ondes de la fibre tendent à réduire la distorsion thermique du faisceau. Les ions erbium et ytterbium sont des espèces actives courantes dans ces lasers.

Le laser à fibre est souvent conçu comme une fibre à double gaine . Ce type de fibre se compose d'un cœur de fibre, d'une gaine intérieure et d'une gaine extérieure. L'indice des trois couches concentriques est choisi de manière à ce que le cœur de la fibre agisse comme une fibre monomode pour l'émission laser tandis que la gaine extérieure agit comme un cœur hautement multimode pour le laser de pompage. Cela permet à la pompe de propager une grande quantité d'énergie dans et à travers la région active du cœur interne tout en ayant une ouverture numérique (NA) élevée pour avoir des conditions de lancement faciles.

La lumière de pompage peut être utilisée plus efficacement en créant un laser à disque à fibre ou une pile de tels lasers.

Les lasers à fibre, comme d'autres supports optiques, peuvent souffrir des effets du photonoircissement lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement de certaines longueurs d'onde. En particulier, cela peut entraîner une dégradation du matériau et une perte de fonctionnalité du laser au fil du temps. Les causes et les effets exacts de ce phénomène varient d'un matériau à l'autre, bien qu'il implique souvent la formation de centres de couleur .

Les lasers à cristaux photoniques sont des lasers basés sur des nanostructures qui fournissent le confinement de mode et la structure de densité d'états optiques (DOS) nécessaires pour que la rétroaction ait lieu. Ils sont typiquement de taille micrométrique et accordables sur les bandes des cristaux photoniques.

Les lasers à semi-conducteurs sont des diodes pompées électriquement. La recombinaison des électrons et des trous créée par le courant appliqué introduit un gain optique. La réflexion depuis les extrémités du cristal forme un résonateur optique, bien que le résonateur puisse être externe au semi-conducteur dans certaines conceptions.

Les diodes laser commerciales émettent à des longueurs d'onde de 375 nm à 3500 nm. Les diodes laser de faible à moyenne puissance sont utilisées dans les pointeurs laser , les imprimantes laser et les lecteurs CD/DVD. Les diodes laser sont également fréquemment utilisées pour pomper optiquement d'autres lasers avec une efficacité élevée. Les diodes laser industrielles de plus haute puissance, avec une puissance allant jusqu'à 20 kW, sont utilisées dans l'industrie pour la découpe et le soudage. Les lasers à semi-conducteurs à cavité externe ont un milieu actif semi-conducteur dans une cavité plus grande. Ces dispositifs peuvent générer des sorties de puissance élevée avec une bonne qualité de faisceau, un rayonnement à largeur de ligne étroite réglable en longueur d'onde ou des impulsions laser ultracourtes.

En 2012, Nichia et OSRAM ont développé et fabriqué des diodes laser vertes commerciales de haute puissance (515/520 nm), qui concurrencent les lasers à semi-conducteurs pompés par diode traditionnels.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface ( VCSEL ) sont des lasers à semi-conducteurs dont la direction d'émission est perpendiculaire à la surface de la plaquette. Les dispositifs VCSEL ont généralement un faisceau de sortie plus circulaire que les diodes laser conventionnelles. En 2005, seuls les VCSEL de 850 nm étaient largement disponibles, les VCSEL de 1300 nm commençant à être commercialisés et les dispositifs de 1550 nm étant un domaine de recherche. Les VECSEL sont des VCSEL à cavité externe. Les lasers à cascade quantique sont des lasers à semi-conducteurs qui ont une transition active entre les sous-bandes d'énergie d'un électron dans une structure contenant plusieurs puits quantiques .

Le développement d'un laser au silicium est important dans le domaine de l'informatique optique . Le silicium est le matériau de choix pour les circuits intégrés , et donc les composants électroniques et photoniques au silicium (comme les interconnexions optiques ) pourraient être fabriqués sur la même puce. Malheureusement, le silicium est un matériau laser difficile à manipuler, car il a certaines propriétés qui bloquent l'effet laser. Cependant, des équipes ont récemment produit des lasers au silicium grâce à des méthodes telles que la fabrication du matériau laser à partir de silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs, tels que le phosphure d'indium (III) ou l'arséniure de gallium (III) , des matériaux qui permettent de produire une lumière cohérente à partir du silicium. On les appelle lasers hybrides au silicium . Des développements récents ont également montré l'utilisation de lasers à nanofils intégrés de manière monolithique directement sur le silicium pour les interconnexions optiques, ouvrant la voie à des applications au niveau de la puce. Ces lasers à nanofils hétérostructurés capables d'interconnexions optiques dans le silicium sont également capables d'émettre des paires d'impulsions picosecondes verrouillées en phase avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 200 GHz, permettant un traitement du signal optique sur puce. Un autre type est un laser Raman , qui tire parti de la diffusion Raman pour produire un laser à partir de matériaux tels que le silicium.

Les lasers à colorant utilisent un colorant organique comme milieu de gain. Le large spectre de gain des colorants disponibles, ou des mélanges de colorants, permet à ces lasers d'être hautement accordables ou de produire des impulsions de très courte durée ( de l'ordre de quelques femtosecondes ). Bien que ces lasers accordables soient principalement connus sous leur forme liquide, les chercheurs ont également démontré une émission accordable à largeur de raie étroite dans des configurations d'oscillateurs dispersifs incorporant des milieux de gain à colorant à semi-conducteurs. Dans leur forme la plus répandue, ces lasers à colorant à semi-conducteurs utilisent des polymères dopés au colorant comme milieux laser.

Les lasers à bulles sont des lasers à colorant qui utilisent une bulle comme résonateur optique. Les modes de galerie chuchotée dans la bulle produisent un spectre de sortie composé de centaines de pics uniformément espacés : un peigne de fréquence . L'espacement des modes de galerie chuchotée est directement lié à la circonférence de la bulle, ce qui permet aux lasers à bulles d'être utilisés comme capteurs de pression très sensibles.

Les lasers à électrons libres (LEL) génèrent un rayonnement cohérent de haute puissance, largement réglable, dont la longueur d'onde s'étend des micro-ondes aux rayons X mous en passant par le rayonnement térahertz et l'infrarouge. Ils ont la gamme de fréquences la plus large de tous les types de laser. Bien que les faisceaux FEL partagent les mêmes caractéristiques optiques que les autres lasers, comme le rayonnement cohérent, le fonctionnement du FEL est assez différent. Contrairement aux lasers à gaz, à liquide ou à solide, qui reposent sur des états atomiques ou moléculaires liés, les FEL utilisent un faisceau d'électrons relativistes comme milieu laser, d'où le terme d'électrons libres .

La recherche d'un laser à haute énergie quantique utilisant les transitions entre les états isomères d'un noyau atomique fait l'objet de recherches universitaires de grande envergure depuis le début des années 1970. Une grande partie de ces recherches est résumée dans trois articles de synthèse. Ces recherches ont une portée internationale mais sont principalement basées dans l'ex-Union soviétique et aux États-Unis. Si de nombreux scientifiques restent optimistes quant à l'imminence d'une percée, un laser à rayons gamma opérationnel n'a pas encore été réalisé.

Certaines des premières études ont été orientées vers de courtes impulsions de neutrons excitant l'état isomère supérieur dans un solide afin que la transition gamma puisse bénéficier du rétrécissement de la ligne de l'effet Mössbauer . En conjonction, plusieurs avantages étaient attendus du pompage en deux étapes d'un système à trois niveaux. Il a été supposé que le noyau d'un atome intégré dans le champ proche d'un nuage d'électrons oscillant de manière cohérente piloté par laser subirait un champ dipolaire plus grand que celui du laser d'entraînement. De plus, la non-linéarité du nuage oscillant produirait des harmoniques spatiales et temporelles, de sorte que les transitions nucléaires de multipolarité plus élevée pourraient également être pilotées à des multiples de la fréquence laser.

En septembre 2007, la BBC News a rapporté que des spéculations avaient été émises sur la possibilité d'utiliser l'annihilation du positronium pour alimenter un laser gamma très puissant . David Cassidy de l' Université de Californie à Riverside a proposé qu'un seul laser de ce type pourrait être utilisé pour déclencher une réaction de fusion nucléaire , remplaçant les banques de centaines de lasers actuellement utilisés dans les expériences de fusion par confinement inertiel .

Des lasers à rayons X basés dans l'espace et pompés par des explosions nucléaires ont également été proposés comme armes antimissiles. De tels dispositifs seraient des armes à un coup.

Des cellules vivantes ont été utilisées pour produire de la lumière laser. Les cellules ont été génétiquement modifiées pour produire une protéine fluorescente verte , qui a servi de milieu de gain au laser. Les cellules ont ensuite été placées entre deux miroirs de 20 micromètres de large, qui ont fait office de cavité laser. Lorsque la cellule a été éclairée par une lumière bleue, elle a émis une lumière laser verte intensément dirigée.

Comme les masers astrophysiques , les gaz planétaires ou stellaires irradiés peuvent amplifier la lumière en produisant un laser naturel. Mars , Vénus et MWC 349 présentent ce phénomène.

Lorsque le laser a été inventé, on l'a appelé « une solution à la recherche d'un problème », bien que Gould ait noté de nombreuses applications possibles dans son carnet et ses demandes de brevet. Depuis lors, ils sont devenus omniprésents, trouvant une utilité dans des milliers d'applications très variées dans tous les secteurs de la société moderne, y compris l'électronique grand public , les technologies de l'information, la science, la médecine, l'industrie, l'application de la loi , le divertissement et l' armée . La communication par fibre optique repose sur des lasers multiplexés dans des systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (WDM) pour transmettre de grandes quantités de données sur de longues distances.

La première utilisation largement notable des lasers fut le scanner de codes-barres des supermarchés , introduit en 1974. Le lecteur de disques laser , introduit en 1978, fut le premier produit de consommation à succès à inclure un laser, mais le lecteur de disques compacts fut le premier appareil équipé d'un laser à devenir courant, commercialisé en 1982, suivi peu de temps après par les imprimantes laser .

Voici d’autres utilisations possibles :

• Communications : outre la communication par fibre optique , les lasers sont utilisés pour la communication optique en espace libre , y compris la communication laser dans l'espace
• Médecine : voir ci-dessous
• Secteur d'activité : découpe , y compris la transformation de matériaux minces, soudage , traitement thermique des matériaux , marquage de pièces ( gravure et collage ), procédés de fabrication additive ou d'impression 3D tels que le frittage sélectif par laser et la fusion sélective par laser , le dépôt de métal par laser , la mesure sans contact des pièces et la numérisation 3D , ainsi que le nettoyage au laser .
• Militaire : marquage de cibles, guidage de munitions , défense antimissile , contre-mesures électro-optiques (EOCM) , lidar , aveuglement des troupes, viseurs d'armes à feu . Voir ci-dessous
• Application de la loi : Contrôle du trafic par LIDAR . Les lasers sont utilisés pour la détection d'empreintes digitales latentes dans le domaine de l'identification médico-légale
• Recherche : spectroscopie , ablation laser , recuit laser , diffusion laser , interférométrie laser , lidar , microdissection par capture laser , microscopie à fluorescence , métrologie , refroidissement laser
• Produits commerciaux : imprimantes laser , lecteurs de codes-barres , thermomètres , pointeurs laser , hologrammes , bubblegrams
• Divertissement : disques optiques , écrans d'éclairage laser , platines laser .
• Marquages ​​informatifs : la technologie d'affichage par éclairage laser peut être utilisée pour projeter des marquages ​​informatifs sur des surfaces telles que des terrains de jeu, des routes, des pistes ou des sols d'entrepôt.

En 2004, à l'exclusion des lasers à diode, environ 131 000 lasers ont été vendus, pour une valeur de 2,19 milliards de dollars américains . La même année, environ 733 millions de lasers à diode, d'une valeur de 3,20 milliards de dollars américains , ont été vendus.

Les lasers ont de nombreuses utilisations en médecine, notamment la chirurgie au laser (en particulier la chirurgie oculaire ), la guérison au laser (thérapie par photobiomodulation), le traitement des calculs rénaux , l'ophtalmoscopie et les traitements cosmétiques de la peau tels que le traitement de l'acné , la réduction de la cellulite et des vergetures et l'épilation .

Les lasers sont utilisés pour traiter le cancer en réduisant ou en détruisant les tumeurs ou les excroissances précancéreuses. Ils sont le plus souvent utilisés pour traiter les cancers superficiels qui se trouvent à la surface du corps ou sur la paroi des organes internes. Ils sont utilisés pour traiter le cancer de la peau basocellulaire et les tout premiers stades d'autres cancers comme le cancer du col de l'utérus , du pénis , du vagin , de la vulve et du poumon non à petites cellules . La thérapie au laser est souvent associée à d'autres traitements, tels que la chirurgie , la chimiothérapie ou la radiothérapie . La thermothérapie interstitielle induite par laser (LITT), ou photocoagulation interstitielle au laser , utilise des lasers pour traiter certains cancers en utilisant l'hyperthermie, qui utilise la chaleur pour réduire les tumeurs en endommageant ou en tuant les cellules cancéreuses. Les lasers sont plus précis que les méthodes chirurgicales traditionnelles et causent moins de dommages, de douleur, de saignement , de gonflement et de cicatrices. L'inconvénient est que les chirurgiens doivent acquérir une formation spécialisée, et donc ce sera probablement plus cher que d'autres traitements.

Une arme laser est un type d' arme à énergie dirigée qui utilise des lasers pour infliger des dégâts. Il reste à voir si elles seront déployées comme des armes militaires pratiques et performantes. L'un des principaux problèmes des armes laser est la prolifération thermique atmosphérique , qui n'est pas encore résolue. Ce problème est exacerbé en présence de brouillard, de fumée, de poussière, de pluie, de neige, de smog, de mousse ou de produits chimiques obscurcissants dispersés volontairement.

Les lasers peuvent être utilisés comme armes incapacitantes non létales . Ils peuvent provoquer une perte de vision temporaire ou permanente lorsqu'ils sont dirigés vers les yeux. Même les lasers d'une puissance de sortie inférieure à un watt peuvent provoquer une perte de vision immédiate et permanente dans certaines conditions, ce qui en fait des armes potentiellement non létales mais incapacitantes. L'utilisation de tels lasers est moralement controversée en raison du handicap extrême que représente la cécité induite par le laser. Le Protocole sur les armes laser aveuglantes interdit l'utilisation d'armes conçues pour provoquer une cécité permanente. Les armes conçues pour provoquer une cécité temporaire, appelées éblouissantes , sont utilisées par les organisations militaires et parfois par les forces de l'ordre.

Les armes laser capables d'endommager ou de détruire directement une cible au combat sont encore au stade expérimental. La marine américaine a testé le système d'arme laser de très courte portée (1 mile), de 30 kW ou LaWS, pour être utilisé contre des cibles telles que de petits drones , des grenades propulsées par fusée et des moteurs de bateaux à moteur ou d'hélicoptères visibles . Il a été décrit comme « six lasers de soudage attachés ensemble ». Un système de 60 kW, HELIOS , est en cours de développement pour les navires de classe destroyer à partir de 2020. [

Ces dernières années, certains amateurs se sont intéressés aux lasers. Les lasers utilisés par les amateurs sont généralement de classe IIIa ou IIIb , bien que certains aient fabriqué leurs propres types de classe IV. Cependant, en raison du coût et des dangers potentiels, il s'agit d'un passe-temps peu courant. Certains amateurs récupèrent des diodes laser provenant de lecteurs DVD cassés (rouge), de lecteurs Blu-ray (violet) ou même des diodes laser de plus haute puissance provenant de graveurs de CD ou de DVD .

Les amateurs ont également utilisé des lasers excédentaires provenant d'applications militaires retirées du service et les ont modifiés pour l'holographie . Les lasers à rubis pulsé et YAG fonctionnent bien pour cette application.

Différentes applications nécessitent des lasers avec des puissances de sortie différentes. Les lasers qui produisent un faisceau continu ou une série d'impulsions courtes peuvent être comparés sur la base de leur puissance moyenne. Les lasers qui produisent des impulsions peuvent également être caractérisés sur la base de la puissance de crête de chaque impulsion. La puissance de crête d'un laser pulsé est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à sa puissance moyenne. La puissance de sortie moyenne est toujours inférieure à la puissance consommée.

Exemples de systèmes pulsés à puissance crête élevée :

• 700 TW (700×10 ¹² W) — National Ignition Facility , un système laser à 192 faisceaux et 1,8 mégajoule adjacent à une chambre cible de 10 mètres de diamètre
• 10 PW (10×10 ¹⁵ W) — le laser le plus puissant au monde en 2019, situé dans l' installation ELI-NP à Măgurele , en Roumanie.

Le premier laser était déjà considéré comme potentiellement dangereux. Theodore Maiman a décrit le premier laser comme ayant la puissance d'un « Gillette », car il pouvait brûler une lame de rasoir Gillette . Aujourd'hui, il est admis que même les lasers de faible puissance, avec seulement quelques milliwatts de puissance de sortie, peuvent être dangereux pour la vue humaine lorsque le faisceau frappe l'œil directement ou après réflexion sur une surface brillante. À des longueurs d'onde que la cornée et le cristallin peuvent bien focaliser, la cohérence et la faible divergence de la lumière laser signifient qu'elle peut être focalisée par l' œil sur un point extrêmement petit de la rétine , ce qui entraîne des brûlures localisées et des dommages permanents en quelques secondes ou même moins de temps.

Les lasers sont généralement étiquetés avec un numéro de classe de sécurité, qui identifie le degré de dangerosité du laser :

• La classe 1 est intrinsèquement sûre, généralement parce que la lumière est contenue dans un boîtier, par exemple dans les lecteurs CD
• La classe 2 est sûre en utilisation normale ; le réflexe de clignement de l'œil préviendra les dommages. Généralement jusqu'à 1 mW de puissance, par exemple, les pointeurs laser.
• Les lasers de classe 3R (anciennement IIIa) ont généralement une puissance allant jusqu'à 5 mW et présentent un faible risque de lésion oculaire pendant la durée du réflexe de clignement. Fixer un tel faisceau pendant plusieurs secondes est susceptible d'endommager un point de la rétine.
• Les lasers de classe 3B (5 à 499 mW) peuvent provoquer des lésions oculaires immédiates dès l’exposition.
• Les lasers de classe 4 (≥ 500 mW) peuvent brûler la peau et, dans certains cas, même la lumière diffusée par ces lasers peut provoquer des lésions oculaires et/ou cutanées. De nombreux lasers industriels et scientifiques appartiennent à cette classe.

Les puissances indiquées sont celles des lasers à onde continue à lumière visible. Pour les lasers pulsés et les longueurs d'onde invisibles, d'autres limites de puissance s'appliquent. Les personnes travaillant avec des lasers de classe 3B et de classe 4 peuvent protéger leurs yeux avec des lunettes de sécurité conçues pour absorber la lumière d'une longueur d'onde particulière.

Les lasers infrarouges dont les longueurs d'onde sont supérieures à 1,4 micromètre environ sont souvent qualifiés de « sans danger pour les yeux », car la cornée a tendance à absorber la lumière à ces longueurs d'onde, protégeant ainsi la rétine des dommages. Cette appellation peut toutefois être trompeuse, car elle ne s'applique qu'aux faisceaux à ondes continues de puissance relativement faible. Un laser de forte puissance ou à commutation Q à ces longueurs d'onde peut brûler la cornée, provoquant de graves lésions oculaires, et même des lasers de puissance modérée peuvent blesser l'œil.

Les lasers peuvent constituer un danger pour l'aviation civile et militaire, en raison de leur potentiel à distraire ou à aveugler temporairement les pilotes. Pour en savoir plus sur ce sujet, consultez la section Lasers et sécurité aérienne .

Les caméras basées sur des dispositifs à couplage de charge peuvent être plus sensibles aux dommages causés par le laser que les yeux biologiques.