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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 !

lumière laser monochromatique

A gauche, la lumière émise par une torche électrique est polychromatique et non cohérente: la lumière blanche est constituée de plusieurs radiations colorées visibles. Un filtre rouge permet de sélectionner les longueurs d’onde situées dans le rouge (ex: 600 à 650 nm). En revanche, la lumière émise par un pointeur laser est naturellement monochromatique. De plus, la lumière est cohérente: les trains d’onde émis entre eux sont « en phase ». 

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.

lumière cohérente

La cohérence spatiale de la source traduit le fait que les différents points de la source laser situés dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation sont dans le même état de phase (la différence de phase est nulle). La cohérence temporelle implique que cette différence de phase est constante dans le temps. La cohérence temporelle de la lumière laser n’est pas infinie, mais est beaucoup plus longue que celle de la lumière émise par une source de lumière non cohérente. La durée moyenne de cohérence des trains d’onde émis par une source est de 10 -11 secondes pour une source classiquen et 10 -8 seconde pour un laser hélium néon. La cohérence temporelle de la lumière laser est liée à sa pureté spectrale.

 

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.

relation racine carrée direction aléatoire

Un marcheur effectuant des pas successifs de même longueur mais dans une direction à chaque fois aléatoire parcours un chemin en moyenne proportionnel à la racine carrée du nombre de pas effectué. Si le marcheur effectue des pas d’un mètre, au bout de 100 pas, la distance parcourue en ligne droite depuis son point de départ est égale en moyenne à 10 mètres. Cette relation est analogue à celle qui relie amplitude et énergie : les trains d’ondes non cohérents « s’additionnent » comme des pas de direction aléatoire. Les trains d’onde cohérents s’additionnent comme la distance des pas qui seraient chacun effectués dans la même direction.

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.

relation amplitude énergie onde lumineuses

L’énergie est proportionnelle au carré de l’amplitude: en cas de phase « aléatoire » entre les photons, l’amplitude de l’onde totale tend vers la racine carrée du nombre de photons présents. En cas de phase identique (lumière laser), l’amplitude de l’onde totale est logiquement égale à la somme des amplitudes respectives de chaque photon.

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