Particularités de la lumière LASER
La lumière LASER est « monochromatique », « directionnelle », et « cohérente ». Il est important de comprendre la signification de chacun de ces termes, auxquels cette page est consacrée
Monochromatisme
La lumière blanche visible est composée de plusieurs radiations colorées, que l’on peut séparer au moyen d’un prisme : leur longueurs d’onde respectives s’étende de 400 à 700 nanomètres (un nanomètre est un millième de micron, ou un millionième de millimètre).
On peut utiliser un filtre pour sélectionner la composante rouge d’une lumière blanche ; la richesse spectrale de la lumière rouge obtenue ainsi est moindre que celle de la lumière blanche, car le filtre ne laisse passer que les longueurs d’onde situées dans le rouge (ex : 650 à 700 nm, soit du rouge clair au rouge foncé).
En comparaison à la capacité d’un filtre à restreindre l’éventail des longueurs d’onde présentes dans un rayonnement, la lumière émise par un laser He-Ne (pour Hélium Néon) est telle que les longueurs d’onde émises à la sortie de la cavité du laser ont quasi identiques, à un nanomètre près, voire moins !
Toutefois, malgré cette sélectivité remarquable, la lumière émise par un laser ne peut être véritablement monochromatique (rayonnement correspondant à une longueur d’onde unique), car au-delà des contraintes pratiques, ceci serait en violation avec certaines lois de la Physique, qui imposent un certain « éventail » de longueur d’onde pour tout rayonnement émis. La lumière émise par un laser standard est restreinte à une gamme étroite de longueur d’onde.
Aspect Directionnel
Certaines sources lumineuses comme celles émises par les projecteurs situés sur la Tour Eiffel et qui éclairent le ciel nocturne parisien semblent directionnelles, car elles forment un « pinceau » lumineux aux bords quasi parallèles qui balaient les nuages. En réalité ces faisceaux divergent après quelques centaines de mètre, et il est heureux que la couche nuageuse qui recouvre fréquemment la capitale s’interpose et serve d’écran – on observe alors le balai des taches lumineuses formées par la section des faisceaux lumineux.
Si ces faisceaux étaient constitués d’une lumière laser, il faudrait les suivre sur plusieurs kilomètres avant de les voir diverger. Cet aspect directionnel de la lumière laser, utilisé pour certains spectacles sons et lumières, a été popularisé dès les années 70 par la saga « Star Wars » où les tirs de lumière laser émis par les vaisseaux spatiaux peuvent traverser de grande distance en conservant leur allure rectiligne (il convient toutefois de préciser que pour les besoins de la mise en scène, la vitesse de déplacement de cette lumière laser semble bien lente dans ces films, et que dans un milieu vide et non diffusant comme l’espace interstellaire, il ne serait possible de « voir » cette lumière qu’en se plaçant sur son trajet,.. soit en en étant la cible directe).
L’aspect fortement directionnel de la lumière LASER est liée à la cavité où est produite et amplifiée la lumière laser : avant d’en émerger, elle y « résonne », c’est à dire effectue plusieurs allers- retour entre ses parois avant d’émerger au travers d’un miroir partiellement transparent. Ces allers retours se font dans l’axe de la cavité de résonance, en regard duquel est positionné le miroir partiellement transparent : la lumière LASER est émise selon la direction de cet axe ce qui explique sa forte « directionnalité ». Il est possible de calculer de combien « s’élargit » un faisceau laser avec la distance en fonction de certaines caractéristiques comme son diamètre minimum, sa longueur d’onde, etc.
C’est en raison de l’incontournable diffraction que la lumière laser, pourtant très directionnelle, diverge toujours un peu au-delà d’une distance de sortie. Le profil énergétique gaussien (profil en cloche) de la plupart des faisceaux lasers fait que cette divergence est moindre que celle d’une lumière dont le profil d’intensité de la section serait constant. L’angle de divergence est donné par :
Theta = 1,27 lamda / D
Ici, D se réfère à la « largeur » du faisceau gaussien, et lambda à la longueur d’onde du rayonnement considéré. Cette grandeur est environ deux fois moindre que celle de la diffraction classique à travers un orifice circulaire (2,44 lambda/D). Si l’on émet un faisceau laser Gaussien au travers d’une ouverture dont le diamètre est environ deux ou trois fois plus grand que D, on n’observe pas d’anneaux de diffraction au niveau de l’image recueillie : dans ces conditions, l’image par diffraction à l’infini d’un faisceau gaussien demeure un faisceau gaussien.
Cette forte directionnalité (faible divergence) est très utile pour former des taches focales plus compactes que celles d’un faisceau qui serait plus divergent, et de concentrer la lumière sur une zone spatiale restreinte.
Cohérence et incohérence
Avant d’aller plus avant, il faut insister sur ce point : c’est parce que la lumière laser est cohérente que l’action du laser sur la matière est si particulière, et peut transporter une importante quantité d’énergie lumineuse sur de longues distances.
La cohérence de la lumière laser traduit le fait que les ondes lumineuses transportées sont « en phase ». Les sources de lumières naturelles (étoiles), ou artificielles (ampoules électriques) émettent une lumière polychromatique et non cohérente. L’émission de photons s’effectuent de manière désordonnée : les photons de même longueur d’onde ne sont pas en phase.
Au contraire, la lumière laser est cohérente : les photons émis par la source laser ne sont pas distinguables : ils ont la même phase, même polarisation (angle formé par la vibration du champ électrique avec la direction de propagation). La cohérence de la lumière laser est à la fois spatiale et temporelle.
Cohérence spatiale :
à un instant donné, toutes les points situés dans un même plan perpendiculaire au faisceau laser sont dans le même état de phase (même valeur et orientation du champ électromagnétique).
Cohérence temporelle
Elle traduit le fait que plusieurs ondes lumineuses émises successivement par un même point de la source demeurent en phase : cette caractéristique et bien sûr liée de près à l’aspect (quasi) monochromatique de la lumière laser.
Effet de la cohérence sur l’énergie lumineuse LASER
L’addition en lumière incohérente de N photons dont l’énergie de chacun est E produit une énergie égale à N x E. Si la lumière est cohérente, l’addition de N photons produit une énergie totale égale à N2x E. La différence est de nature exponentielle !
L’énergie (E) ou intensité de la lumière émise est égale au carré de l’amplitude de l’onde lumineuse (A) associée aux photons qui la composent ; quand cette lumière est incohérente, les photons (de même longueur d’onde) ont une phase aléatoire : il existe des interférences tantôt constructives, tantôt destructives qui modulent l’amplitude de l’onde résultante, ce qui résulte en une amplitude moyenne qui tend vers √N x A. De la même manière, on peut montrer qu’un sujet se déplaçant au hasard et en changeant de direction à chaque pas parcourt une distance égale à la racine carrée du nombre total de pas multipliée par la longueur d’un pas. L’énergie (carré de cette amplitude) est donc bien dans ce cas égale à N x E.
Quand les ondes associées aux photons sont en phase, les amplitudes s’ajoutent (interférence constructive) et l’onde résultante a une amplitude égale à NXA : l’énergie est égale à N2x E.
Haha merci pour votre commentaire.
bonjour, eh bien si mes profs de physique m’avaient expliqué tout ceci comme cela j’aurais bien mieux compris et surtout bien plus tôt. Dommage d’avoir perdu tout ce temps même si ce soir je m’endormirai moins bête.
Exactement ce que je cherchais –> des explications simples avec quelques exemples concrets pour des notions d’optique essentielles souvent délaissées !
Merci
super intéressant, super clair