Étude quels sont les lasers?

Les lasers fournissent l'exemple archétypique de la façon dont une découverte en physique fondamentale a conduit à une invention, plusieurs décennies plus tard, qui a changé de façon imprévisible.

Les lasers sont des dispositifs qui émettent des faisceaux étroits de rayonnement électromagnétique intense (lumière). Le terme laser a pour origine l'acronyme «amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement». Un faisceau laser a la propriété particulière que les ondes lumineuses émises sont toutes en phase les unes avec les autres - cohérentes - et généralement d'une longueur d'onde, ou couleur. Il existe de nombreux types de lasers, des installations géantes émettant de puissantes impulsions de rayonnement à haute énergie, comme les rayons X, à de minuscules dispositifs gravés sur des puces semi-conductrices produisant de la lumière infrarouge.

De nombreux types de matériaux peuvent être faits pour « lase » - tels que les gaz, les solides cristallins, des verres et des polymères - et que l'on est utilisé dépend de l'application. Certains lasers sont conçus pour émettre un faisceau continu tandis que d'autres peuvent émettre des impulsions de lumière rapides et ultra-courtes. Les longueurs d'onde de la lumière générée par certains types de laser peuvent même être « à l'écoute » pour des applications spécifiques, ce qui les rend extrêmement polyvalent.

Les lasers offrent un moyen de générer, de contrôler et de diriger la lumière intense de manière remarquable, mais quand ils ont été inventés, les physiciens ne savaient pas à quoi ils pouvaient servir - ils étaient décrits comme une «solution à la recherche d'un problème». En fait, bien que le premier laser ait été construit dans les années 1950, les applications pratiques ne sont apparues que quelques décennies plus tard - comme c'est souvent le cas en science. Depuis, grâce aux activités de recherche dans les départements de physique universitaires et les entreprises, y compris au Royaume-Uni, les lasers sont devenus omniprésents et sont au cœur de nombreuses technologies utilisées dans la fabrication, les communications, la médecine et le divertissement.

Aujourd'hui, les lasers sont des outils clés pour manipuler et communiquer l'information (lecteurs CD et DVD, lecteurs de codes-barres et télécommunications à large bande), en mesure (études topographiques et environnementales), analyses chimiques (aliments, spécimens médicaux et matériaux) et de plus en plus dans la transformation de matériaux (soudure, découpe et gravure, impression et chirurgie).

Les recherches sur les lasers se poursuivent rapidement - de nouveaux types de laser sont en cours de développement avec une variété de caractéristiques et d'applications potentielles. Dans certains cas, le résultat est un appareil portable moins cher, plus compact conçu pour une utilisation spécifique, ou un laser plus puissant utilisé pour générer de l'énergie, par exemple. Les départements de physique des universités britanniques sont à l'avant-garde de plusieurs de ces domaines. En particulier, les physiciens de la Central Laser Facility (CLF) du développent de nouveaux systèmes laser à haute puissance et les rendent disponibles pour la recherche pure et appliquée.

Le laser n'aurait jamais été développé sans une profonde compréhension d'un domaine de la physique fondamentale - la théorie quantique. Le principe du laser remonte au physicien le plus célèbre du monde, Albert Einstein, qui, en 1917, a proposé une théorie de l'émission de lumière stimulée. Einstein avait précédemment montré que la lumière était composée de minuscules paquets d'énergie appelée photons (la longueur d'onde dépend de l'énergie).

Il a théorisé que si les atomes qui composent un matériau reçoivent de l'énergie en excès et émettent ainsi des photons, ces photons pourraient stimuler les atomes voisins à émettre d'autres photons, créant ainsi un effet de cascade. Tous les photons auraient la même énergie et la même longueur d'onde et partiraient dans la même direction.

Cependant, ce n'est que 40 ans plus tard que les physiciens ont pu convertir cette idée en un laser pratique. Le principe est que le matériau « actif » doit d'abord être pompé avec l'énergie d'une autre source de lumière ou un courant électrique. L'émission de lumière stimulée résultante est ensuite amplifiée en faisant rebondir la lumière à travers le matériau laser dans une cavité réfléchissante, stimulant ainsi plus d'émission, avant de s'échapper à travers une section de miroir transparent en tant que faisceau laser.

Initialement, le concept du laser n'a pas été pris très au sérieux, néanmoins les années 1960 ont vu une énorme expansion dans la recherche laser, y compris le développement de lasers à gaz de haute puissance, de lasers chimiques et de lasers à semi conducteurs. Cependant, ils étaient encore plutôt des outils de recherche spécialisés. Dans les années 1970, des lasers à semi-conducteurs fonctionnant à température ambiante ont été développés, ce qui a conduit à l'avènement du disque compact (CD).

Sans la découverte des lasers, tout le champ fondamental des atomes froids ne se serait jamais ouvert. La recherche dans ce domaine a conduit à l'attribution de plusieurs prix Nobel de physique, y compris la découverte des condensats de Bose-Einstein (BEC). BEC a ouvert la porte à une foule d'applications telles que les lasers à atomes, les horloges atomiques améliorées et les ordinateurs quantiques.

Aujourd'hui, les lasers à diodes à semi-conducteurs sont les plus répandus dans l'industrie, le commerce et la maison.