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Les dialogues sur la physique-chimie
appliquée aux arts

Chapitre XIII

triptyque laser et 3d

première partie :

Le laser

et certaines propriétés de la lumière

Ce chapitre des Dialogues de Dotapea est le premier volet d'un triptyque. Il s'agit comme précédemment d'une discussion entre Jean-Louis, physico-chimiste au CNRS, et un candide, Emmanuel, mais si le chapitre suivant, consacré à l'holographie, fait intervenir les mêmes personnes, le troisième donne largement la parole à un expert de la restitution tridimensionnelle. Parution sous peu.

Le laser est utilisé de plusieurs façons en art. Nous aborderons dans ce texte ses particularités et potentialités "picturales" (voir ci-dessous "L'aspect du laser"). Cependant, nous ne nous priverons pas d'aborder également des concepts plus généraux, notamment la cohérence ondulatoire, la photoluminescence et l'incandescence.

Une utilisation artistique possible du laser est abordée dans le court-métrage

"Laser, matériau transparent et vidéo"

Cliquer ici

A lire également, un ensemble de documents associés aux « fontaines laser » et à leur utilisation dans le cadre des célébrations du cinquantenaire du laser. Cliquer ici (section Hi-tech).

Emmanuel : Au fond, le laser qu'est-ce que c'est?

Tout le monde a entendu dire que c'est une « lumière cohérente » mais on ne sait guère ce que ces mots intrigants signifient. Peux-tu nous parler de ce phénomène d'une manière plus claire, quitte à partir de la base pour que l'on comprenne enfin ce qui distingue cette lumière des autres ?

Jean-Louis : Partons des électrons. Ils sont astreints à posséder certaines énergies très précises qui sont dites quantifiées.

Emmanuel : Est-ce que ces niveaux correspondent aux « orbitales » dont nous avons déjà parlé [lien] ou bien est-ce tout autre chose ?

Jean-Louis : Non, c'est lié. De façon très schématique, les orbitales sont des familles de niveaux. Les orbitales sont une vision un peu géométrique, elles possèdent des caractéristiques de symétrie spatiale. Une même orbitale regroupe un ou plusieurs niveaux électroniques.
Seuls ces niveaux énergétiques sont accessibles aux électrons, mais ils peuvent passer de l'un à l'autre en gagnant ou perdant la différence d'énergie qui sépare les niveaux.

Fig. 1

De façon générale les électrons absorbent ou restituent l'énergie sous forme de photons.
L'absorption d'un photon suffisamment énergétique fait monter l'électron sur un niveau d'énergie supérieure, la désexcitation d'un électron et son retour vers un niveau inférieur entraîne l'émission d'un photon.

Emmanuel : Dans le cas du laser c'est de la photoluminescence si je ne m'abuse.

Jean-Louis : C'est le même phénomène, oui docteur. Mais toutes les émissions de photons fonctionnent sur le même principe, elles ont juste reçu un nom différent selon les détails exacts, par exemple la durée de vie de l'état excité.

Emmanuel : D'accord. D'ailleurs je relis la définition de l'incandescence par rapport à la photoluminescence et… elle ne me semble pas satisfaisante [ce texte a été modifié entre-temps - lien]. Comment distinguerais-tu ces deux phénomènes ?

Jean-Louis : Une différence de cause : un matériau incandescent est excité thermiquement, par une source de chaleur. Les physiciens parlent de "phonons" qui sont des quanta d'excitation vibrationnelle, la chaleur d'un corps étant directement liée aux "vibrations" de ses atomes/molécules constitutifs.

Un matériau luminescent est excité par des photons [plus de détails voir ci-dessous]. Une différence de résultats : un matériau incandescent rayonne un continuum de photons, de l'infrarouge au visible, toutes les longueurs d'onde étant possibles. Un matériau luminescent (fluorescent, phosphorescent) ne réémet qu'un seul type de photons (monochromatique).

Si tu achètes une petite lampe UV (on en trouve facilement dans les magasins qui vendent des light-show pour les boums du samedi soir, 15€), tu peux regarder chez toi quels sont les corps fluorescents outre tes dents et ton T-shirt en coton. Certains objets colorés (les dinosaures de mon fils ou ses petites voitures) donnent souvent des résultats surprenant, une voiture jaune apparaissant soudain rouge.

Particularité : ces processus ont une efficacité maximale quand l'énergie du photon incident est exactement égale à la différence d'énergie entre les niveaux électroniques, E1-E0 en figure 1. Un photon trop ou trop peu énergétique ne sera pas absorbé, les photons réémis ont tous la même énergie.

Les niveaux énergétiques accessibles aux électrons sont dépendants de la structure électronique du corps, et sont donc très spécifiques.

C'est ainsi que la couleur dominante émise par un corps excité est typique de ce corps, et peut permettre son identification. Exemples : le sodium excité émet une couleur jaune très typique, c'est le jaune des lampes à sodium de l'éclairage urbain, la couleur jaune que prend la flamme d'une bougie où l'on fait tomber du sel de cuisine (chlorure de sodium).

Emmanuel : Effectivement la flamme tourne au jaune lorsque l'on asperge une bougie de sel de cuisine (soit dit en passant, le sel, ininflammable, a tendance à éteindre la bougie). Ce n'est pas très spectaculaire mais c'est sensible.

Jean-Louis : Le cuivre donne une couleur bleue, le strontium une couleur rouge, le baryum du vert, calium orangé, potassium violet. C'est en mettant ces éléments (cuivre, sodium, strontium, etc...) dans les feux d'artifice qu'on les colore.
Un atome excité ne reste pas excité, sauf si on continue à lui fournir de l'énergie en permanence.

En principe, cette désexcitation est rapide et spontanée. Dans certains cas, l'état excité peut rester stable un certain temps (on dit métastable), et il faut que l'atome reçoive une petite pichenette pour se désexciter. On parle alors d'émission stimulée. Idéalement, c'est un photon de la bonne énergie qui passe par là et qui déclenche le processus.

Particularité très intéressante de cette situation, l'atome réémet un photon absolument identique à celui qui a déclenché l'émission. On a "photocopié" le photon incident. Les deux photons ont alors la même énergie (i.e. même couleur, même longueur d'onde) et de plus ils sont "en phase" (on dit cohérents).

Emmanuel : Nous y voilà !

Jean-Louis : La lumière (et chaque photon) étant une onde, elle se propage comme les vaguelettes créées par la grenouille qui saute dans la mare, comme dans un haïku célèbre.

Le principe d'un laser est donc "simple" : on réunit un ensemble d'atomes excités métastables, le premier qui se désexcite émet un photon qui stimule l'émission de tous les autres atomes. Les photons qui sortent sont tous identiques. On a une lumière monochromatique cohérente.
Le milieu actif peut être un gaz (CO₂, Argon, Hélium+Néon)…

Emmanuel : Hélium + néon… Ca veut dire qu'il y a deux longueurs d'ondes dans ce cas ?

Jean-Louis : Non, c'est plus compliqué que ça. En fait on se sert des électrons d'un des gaz pour faire un transfert d'énergie vers l'autre gaz, dont les atomes se désexcitent alors en émettant la lumière rouge monochromatique.

Emmanuel : D'accord. Pareil dans le CO₂, quel(s) atome(s) émet(tent) les photons ? C'est marrant, l'idée que le banal gaz carbonique puisse émettre de la lumière laser.

Jean-Louis : Ben c'est comme ça. Je pourrais pas vraiment t'expliquer pourquoi, c'est un matériau qui convient, c'est tout.

Si tu veux tout savoir, il ne suffit pas d'envoyer les électrons sur un niveau supérieur et de les faire retomber. Il faut réaliser ce qui s'appelle une inversion de population ce qui signifie que contrairement au régime normal, on a plus d'électrons excités que d'électrons "calmes". On dit que l'on pompe le milieu laser. Et c'est la désexcitation soudaine de cette population qui donne l'émission laser. On ne peut pas réaliser ce pompage et cette inversion de population avec n'importe quoi, il faut que les niveaux électroniques soient au bon endroit, et ça dépend des molécules.

Longueurs d'onde

Avant le laser, il y eut le maser (avec un m pour microwave, micro-onde), qui date de 1953. Basé sur le même principe que le laser, il émettait sur des fréquences plus basses que celles de la lumière visible.

Le milieu actif peut aussi être un solide (YAG, rubis, semiconducteur).

Emmanuel : Qu'est-ce que c'est, YAG, Jean-Louis ?

Jean-Louis : Yttrium Aluminum Garnet... Un grenat ("rubis") d'yttrium et d'alumine.
Concernant le milieu actif, il peut aussi s'agir d'un liquide (lasers à colorant).

Emmanuel : Lasers à colorant ?

Jean-Louis : Des molécules colorées organiques en solution.

Dans un laser, la source de lumière est atomique, donc très petite, donc très brillante, monochromatique, et toute l'énergie étant concentrée dans une seule longueur d'onde on a beaucoup d'énergie lumineuse.

En prime, mais ça sert pas tous les jours ni à tout le monde, cette propriété de cohérence sert pour des applications métrologiques ou très particulières comme l'holographie.

Tous les atomes de tungstène du fil sont excités, un peu sur tous les niveaux possibles (d'où l'émission d'une lumière non-monochromatique), ils ne sont pas en phase (aucune cohérence entre les photons émis aléatoirement), la source de la lumière est un objet macroscopique, le fil, et surtout le rendement est minable, on produit beaucoup plus de chaleur que de lumière.

L'aspect du laser

C'est cette même cohérence qui donne aux spots laser leur aspect particulier. Une surface éclairée par un laser prend un aspect grumeleux, inhomogène (on parle de speckle), dû au fait que la lumière cohérente se prête excellemment à la production d'interférences. Dans le cas du speckle, les interférences sont le fait des inhomogénéités de la surface. Ca sert précisément en métrologie pour quantifier les rugosités…

Wikipédia indique : « Le speckle (ou encore tavelures en français) est l'aspect granuleux que prend un écran réfléchissant qui diffuse la lumière lorsqu'il est éclairé par un faisceau de lumière cohérente spatialement (un laser par exemple). »

Emmanuel : Il y a d'une part les tavelures, d'autre part les problèmes mécaniques des miroirs. Les deux phénomènes joints donnent des images que l'on identifie facilement.
La technique d'affichage laser par projection simple, directe, reste surtout exploitée dans les concerts rock et les boîtes de nuit, pas dans les salons.

Jean-Louis : L'aspect "typique" des lasers est inévitable. Il est précisément lié à la cohérence de la lumière. On n'aura que très difficilement, je pense, des aspects naturels.

Les miroirs mobiles utilisés pour les shows laser ont effectivement des limites, mais ce que l'on arrive à faire est tout de même spectaculaire, non ?

Emmanuel : D'accord. Autre chose, admettons que dans le but d'obtenir de la couleur, je place du néon, de l'hélium, du grenat et du CO₂, enfin une bonne soupe dans le lieu d'amplification et que j'envoie tous les rayons qu'il faut pour que chaque élément soit excité. Comment ça se passe ? Mal, j'imagine.

Jean-Louis : Oui, ça se passera mal car tous ces corps n'ont pas les mêmes exigences, et si on met trop de matière l'absorption domine et tue l'émission.

[Note : pour obtenir des effets polychromes

on est donc obligé d'employer plusieurs lasers]

***

Emmanuel : Avec le tube cathodique on détourne les électrons là où on veut, mais quand le rayonnement à traiter est déjà photonique, on dirait qu'il se fiche complètement des champs et que c'est pour ça que l'on doit utiliser des miroirs. C'est une question de charge ?

Jean-Louis : Ben oui, les photons ne sont pas chargés et pas magnétiques.

Emmanuel : Je suis un photon. Je me cogne sur un électron, bing. Schématiquement, j'accrois son énergie qu'il va relâcher soit presque immédiatement (en 10^-15 sec., disais-tu - lien) soit un peu plus tard sous la forme d'un nouveau photon. Pendant ce temps, j'ai modifié quelque chose que l'on nomme un champ, ou plusieurs. Pourtant moi-même je suis insensible à ce type de champs.

Jean-Louis : Tu poses les bonnes questions  ! Quand un photon rencontre un électron, il peut se passer plusieurs choses : le photon est absorbé à jamais, son énergie est convertie en chaleur par le milieu qui l'a absorbé. Le photon est diffusé par l'électron en gardant son énergie (diffusion élastique), c'est le plus courant. Le photon est diffusé avec une énergie inférieure (diffusion inélastique), c'est plus rare (statistiquement) mais utile par exemple pour l'analyse spectroscopique des oeuvres d'art. Ensuite il y a les phénomènes de luminescence, fluorescence, émission stimulée…

Emmanuel : Que se passe-t-il lorsque le rayon laser touche la surface rugueuse, en comparaison avec d'autres lumières ? Y a-t-il une relation avec les angles de réflexion qui changeraient en fonction des longueurs d'ondes si celles-ci étaient variées et non cohérentes ?

Emmanuel : Pourquoi une lumière cohérente « tient-elle la route » beaucoup plus longtemps que les autres dans un milieu comme par exemple l'air ou l'eau ? C'est étrange !

Jean-Louis : Ca c'est pas directement lié à l'effet laser. C'est parce que la lumière est produite dans une cavité (on parle de cavité laser, c'est comme ça) qui a des propriétés optiques particulières qui font que le faisceau émergent est bien collimaté et très peu divergent.

Emmanuel : D'accord. Partant de là, il y aurait un sujet à part entière. Tu as expliqué qu'il y avait une sorte d'autostimulation dans un milieu qui semble confiné. Comment est-ce que l'on confine les photons engendrés et comment est-ce qu'on les libère ?

Jean-Louis : La cavité est limitée par deux miroirs, l'un parfait, l'autre réfléchissant à ~98%. On a donc en gros 98% des photons qui sont confinés dans la cavité et 2% qui s'échappent, le rayon laser.

On ne peut pas faire pareil avec une lampe ordinaire à cause de la taille macroscopique du filament émetteur. Il faudrait que ça soit ponctuel, au sens mathématique du terme. Un filament c'est des millimètres. Une lampe à arc c'est déjà beaucoup mieux, un atome c'est le top.

Vertus de la cavité laser :

Emmanuel : Encore autre chose pour finir : on se représente le rayon comme un tube de lumière. Comment fait-on ça et serait-on obligé de le faire ? On se demande pourquoi on ne produirait pas un cône.

Une mise en perspective pour terminer : les petits lasers que l'on achète un peu partout ont une puissance de quelques milliwatts qui peut déjà mettre en danger la vue s'ils sont orientés vers les yeux. Mais nous évoquons dans un autre chapitre d'autres lasers qui sans être exceptionnels sont plus puissants. Ils sont employés dans le cadre de techniques holographiques. Certains déploient une énergie de six watts qui, comparée à une ampoule électrique banale, paraît plus qu'anodine. Et pourtant, comme le dit Dominique Sevray dans le chapitre XV des Dialogues de Dotapea (lien), cela brûle tout.

Évoquons maintenant le projet français en partie militaire nommé Mégajoule. Sachant qu'un watt est un joule par seconde on peut imaginer la puissance d'un laser portant un tel nom.

Un laser peut être éminemment dangereux ou extrêmement utile (on citera les applications médicales par exemple), ou les deux à la fois comme beaucoup d'autres outils.