Comprendre la définition du laser

Un laser est un amplificateur optique - un dispositif qui renforce les ondes lumineuses. Certains lasers ont un faisceau bien dirigé, très lumineux avec une couleur très spécifique; D'autres lasers mettent l'accent sur des propriétés différentes, telles que des impulsions extrêmement courtes. La caractéristique clé est que l'amplification rend la lumière très bien définie et reproductible, contrairement aux sources de lumière ordinaires telles que le soleil ou une lampe.

Le mot «laser» est un acronyme qui signifie «amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement», ce qui reflète fidèlement la façon dont les pionniers du laser ont vu ces dispositifs. La lumière se compose d'ondes électriques et magnétiques oscillant rapidement, avec des couleurs différentes oscillant à des vitesses différentes (la lumière rouge oscille environ 5 x 10¹⁴, soit 500 millions de millions de fois par seconde). L'émission stimulée, d'abord prédite par Einstein en 1917, repose sur la description quantique de la lumière comme étant constituée de particules appelées photons, chacune avec une énergie bien définie. Il utilise l'énergie stockée dans un matériau (par exemple, des atomes ou des molécules énergétiques) pour produire de nombreuses copies presque identiques d'un photon incident.

Stimulée sources d'émission ont d'abord été démontré par un rayonnement micro-ondes (le « maser ») en 1954. 2010 marque le cinquantième anniversaire de la manifestation de ce processus avec la lumière visible (par Ted Maiman mai 1960), qui a présenté de nombreux défis techniques qui ne sont pas présents avec le maser. La plupart des premiers lasers ont été vraiment mieux compris comme « oscillateurs » (sources de fréquence unique, comme un diapason pour le son) que comme sources de « amplification » mais l'acronyme aurait alors été beaucoup moins attrayante.

Au cours des cinquante dernières années, notre compréhension théorique de l'action laser a énormément évolué, de même que la variété et la capacité des systèmes laser modernes. La taille des lasers varie de plus petit que le diamètre d'un cheveu humain à plus grand qu'un stade de football. L'énergie stockée utilisée pour l'amplification peut provenir d'un solide, d'un liquide, d'un gaz ou même d'un faisceau d'électrons. Beaucoup de lasers modernes sont largement accordables; Les systèmes laser de laboratoire peuvent produire à la demande des rayons infrarouges, visibles ou ultraviolets, ou même produire des rayons X. En fait, pour certains lasers, l'émission stimulée dans le sens envisagé par Einstein ne joue qu'un rôle mineur. Ainsi, en pratique, les lasers modernes sont plus faciles à reconnaître qu'ils ne le sont à définir: un laser est une source de lumière brillante qui a des caractéristiques très bien définies et reproductibles dans le temps, l'espace ou les deux. En revanche, les sources lumineuses ordinaires émettent des ondes qui fluctuent avec le temps et la position, bien que ces fluctuations ne soient souvent pas observables à l'œil nu.

Les lasers peuvent fonctionner en continu avec une seule fréquence et longueur d'onde bien définies, avec une précision meilleure qu'une partie sur 10¹⁶. Cela permet à la lumière laser de fournir une norme pour les échelles de temps et de longueur. Il fournit une source si spectralement pure qu'il peut être accordé à des résonances très étroites dans les atomes et les molécules, se couplant si fortement que les états internes des atomes et des molécules peuvent être manipulés avec une grande précision, et permettant leur mouvement thermique tellement ralenti que leur température peut être réduite à une petite fraction d'un degré de zéro absolu. Alternativement, ils peuvent être faits pour donner des impulsions extrêmement courtes (moins de 10^-15 secondes) qui peuvent capturer des processus ultra-rapides tels que des réactions chimiques; De telles impulsions laser produisent intrinsèquement un large spectre de longueurs d'onde en même temps. Les lasers peuvent être fabriqués avec des faisceaux qui divergent à peine, de sorte que leur réflexion des miroirs placés sur la lune par Apollo 11 peut être mesurée sur terre, ou ils peuvent être faits pour illuminer uniformément de grandes régions pour des applications de fabrication. Ils peuvent être suffisamment puissants pour induire une fusion nucléaire, suffisamment précise pour remplacer les scalpels, ou suffisamment doux pour réduire le chauffage dans un processeur informatique à haute vitesse. Les ondes électriques et magnétiques qu'elles produisent peuvent être très simples ou peuvent être structurées en motifs étonnamment complexes (à la fois dans l'espace et dans le temps) pour des applications telles que les communications optiques, l'imagerie médicale et le contrôle des réactions chimiques. Les propriétés uniques et la flexibilité du laser en font une partie importante de la vie moderne.