Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Le laser : comment ça marche ?

 

 

Le laser est une des inventions les plus utilisées de l'homme. C'est un peu la lumière telle qu'un physicien peut la rêver : une couleur très précise, réunie en un faisceau très puissant, très étroit et très directif. Nous allons essayer de comprendre maintenant comment ça marche un peu en détail.

Quand un atome reçoit un photon (un "grain de lumière") de la bonne couleur (un photon est toujours caractérisé par une couleur précise) il peut l'absorber et devenir "excité". En fait, un des électrons qui entourent le noyau a "changé de place" dans l'affaire.

Un atome excité peut émettre un photon de la même couleur que celui qu'il a absorbé et revenir à son état fondamental. Bref, il recrache le photon. C'est un phénomène spontané, qui peut prendre plus ou moins de temps. Il y a des atomes pour lesquels cela peut vraiment prendre beaucoup de temps : c'est ce qu'on appelle la phosphorescence !

Mais il y a un troisième phénomène. Si jamais un atome excité voit passer un photon de la bonne couleur (toujours la même) il peut se désexciter en émettant un photon exactement dans la même direction, avec la même couleur que celui qui passe. Bref, au lieu d'un photon, on en a deux. C'est ce qu'on appelle l'émission stimulée.

Finalement, on peut amplifier la lumière en utilisant ce phénomène. C'est exactement le principe du laser ! Mais ça ne va pas tout seul.

D'abord, on place des atomes dans une cavité : ils sont coincés entre deux miroirs. Si on veut amplifier de la lumière, il faut qu'il y ait plus d'atomes excités que d'atomes dans leur état fondamental. Les premiers amplifient la lumière, les second l'absorbent. Il faut donc, pour amplifier, qu'il y ait plus d'atomes excités - c'est pour cela qu'on utilise des atomes qui mettent du temps à se désexciter. Et puis il faut en exciter le plus possible. Cela s'appelle l'inversion de population : alors qu'en temps normal il n'y a pratiquement que des atomes dans leur état fondamental, il faut qu'on arrive à plus d'atomes excités que d'atomes non excités.

Pour cela, on éclaire les atomes par le dessus - très fort, de manière à en exciter le plus possible. Cet éclairage s'appelle le pompage. Pour que le laser démarre, il faut pomper fort.

A un moment, un atome se désexcite. Sa lumière provoque la désexcitation de ses voisins. Comme une réaction en chaîne. Puis cette lumière est réfléchie par le miroir et elle revient sur ses pas. Elle repasse dans le milieu amplificateur, et elle est encore amplifiée : tous les photons qui sont émis ont la même direction et exactement la même couleur. Et ainsi de suite.

En fait, un des miroirs n'est pas tout à fait transparent. Il laisse passer une toute petite partie de la lumière : c'est celle qui sort du laser. Elle a pour propriété d'avoir une couleur très précise : celle qui correspond à l'excitation ou à la désexcitation de l'atome. Toute la lumière va dans une seule direction, bien perpendiculaire aux miroirs. A l'inverse d'une ampoule, qui éclaire un peu partout, le rayonnement laser va tout droit.


Schéma d'un laser au rubis

Bon, ça c'est le fonctionnement des gros lasers, des lasers puissants et de ceux qui sont de bonne qualité. Mais pour avoir le laser d'un lecteur CD ou d'un pointeur laser, on utilise plutôt une diode laser (voir ci-dessous).

Vous savez maintenant comme fonctionne un laser : il faut pomper, pour obtenir l'inversion de population et que la lumière puisse être amplifiée à l'intérieur de la cavité laser grâce à l'émission stimulée. Ensuite, on peut prélever une partie de cette lumière. LASER signifie : Light Amplification by Stimulated Emission Radiation. Soit : Amplification de la Lumière par Emission Stimulée Radiation.

 

La diode laser

La diode laser est partout (lecteurs CD, DVD, graveurs, imprimantes et évidemment, dans les pointeurs laser). Au départ, c'est une LED, une diode électro-luminescente. Une diode est faite de semi-conducteur.


Diode laser 10 mV (Conrad)

Dans un semi-conducteur, il y a des électrons qui ne peuvent pas bouger. Ainsi que quelques électrons qui sont libres. Dans l'ensemble des électrons qui ne peuvent pas bouger, il y a parfois des places libres : on appelle ça des trous, assez logiquement.

Quand un électron qui ne bouge pas reçoit de la lumière, il peut se libérer, en laissant un trou. Inversement, quand un électron libre "se range" et comble un trou, il émet de la lumière.

 

Quand un électron absorbe un photon de lumière, il devient libre et change de niveau d'énergie. Il laisse, à sa place, un trou - susceptible lui aussi de se déplacer.
Inversement, l'électron peut restituer l'énergie qu'il a prise sous forme de lumière en reprenant sa place. C'est l'émission spontanée.

Mais un électron ne se range pas toujours très vite, même si il y a des trous. Sauf si... un photon (un grain de lumière) passe. Si ce photon a la même couleur que celui que l'électron devrait émettre pour se ranger, cela provoque le "rangement" de l'électron. Et l'émission d'un deuxième photon exactement identique.

L'émission stimulée amplifie la lumière qui arrive.

 

L'endroit qui émet de la lumière, c'est une jonction. Un endroit où arrivent des électrons d'un côté, et des trous de l'autre. Quand un électron et un trous se recombinent, il y a émission d'un photon. Celui-ci, en passant, déclenche des recombinaisons en chaîne, avec émission de photons identiques : la lumière est donc fortement amplifiée.

La lumière sort de la diode par le côté de la jonction. Mais une partie seulement de la lumière sort : l'autre est réfléchie, et elle va repasser au milieu des électrons et des trous en provoquant des recombinaisons. Du coup, elle sera amplifiée, et il continuera à y avoir de la lumière dans la diode, qui fait des aller-retours entre les deux faces du semi-conducteur.

Pour résumer : la recombinaison électron-trou permet d'émettre de la lumière et si il y a suffisamment de trous et d'électrons, la lumière est amplifiée parce que son passage déclenche les recombinaisons électrons-trous. C'est ce qu'on appelle l'émission stimulée. Une partie de cette lumière sort du semi-conducteur : c'est celle-ci qu'on utilise. L'autre partie continue à faire des aller-retour à l'intérieur de la diode.

 

 

Les lecteurs CD et DVD

Le principe de ces lecteurs est en fait très simple. Un CD vierge n'est en fait qu'un morceau de plastique très réfléchissant. Une sorte de miroir, quoi. Mais dessus, on grave des petits motifs.

La tête de lecture d'un lecteur CD est un faisceau laser qu'on concentre exactement sur le CD lui-même - de manière à faire un point le plus petit possible. Si le CD n'est pas gravé, le laser est parfaitement réfléchi. Il repart dans la tête de lecture et le signal lumineux est détecté. Si le laser arrive sur un endroit gravé, la lumière n'est pas parfaitement réfléchie : elle est diffractée dans toutes les directions. Du coup, seule une petite proportion est renvoyée vers la tête de lecture. C'est ainsi que la tête de lecture permet de savoir si l'endroit considéré est gravé ou pas.

L'information, sur le CD est donc codée sous forme de 0 et de 1, donc en binaire. Après, un processeur permet de transformer cette information en quelque chose d'un peu écoutable dans le cas du CD ou de regardable dans le cas du DVD. Ou il transfère toute l'information à l'ordinateur si sur le CD on a des données.

Finalement, c'est tout bête. Mais qu'est-ce qui distingue exactement un lecteur CD d'un lecteur DVD ? Eh bien c'est la couleur du laser. La lumière, on peut voir ça comme une onde : une succession de vagues de lumières, séparées par une distance qu'on appelle la longueur d'onde. La longueur d'onde est ce qui donne la couleur. Plus la longueur d'onde du laser est courte plus on arrive à focaliser le faisceau, donc plus le point laser sur le CD est petit. Donc plus on peut lire une gravure fine, donc plus la galette de plastique peut contenir d'information !

Un lecteur CD fonctionne avec un laser à 750 nanomètres (en gros un millième de millimètre - et c'est du rouge très rouge). Un DVD, qui contient environ dix fois plus de données, utilise un laser à 630 nanomètre (du rouge un peu plus orangé), c'est le rouge des pointeurs laser. Imaginez ce qu'on va pouvoir faire avec les lasers bleus-violets, qui ont une longueur d'onde d'un peu plus de 400 nanomètres !

Vous savez maintenant comment fonctionne un lecteur CD ou DVD et que c'est juste la couleur du laser qui les différencie !

Finalement, c'est tout simple. Bon, ça ne vous explique pas encore pourquoi quand on regarde un CD on voit de jolies couleurs irisées.

 

Le disque compact, mis au point en 1979 par les firmes Philips et Sony, possède plusieurs applications : le disque compact classique, appelé également Compact Disc ou en abrégé CD, le CD-ROM, le CD-I et le DVD.

  • CD : un Compact Disc est un disque de 12 cm de diamètre et de 1 mm d'épaisseur, constitué de matière plastique rigide et recouvert d'une couche métallique sur une de ses faces. Ce type de disque est capable de stocker jusqu'à 78 min d'enregistrement sonore sous forme numérique. À l'aide d'un puissant laser, la séquence binaire est en effet gravée sur le métal le long de pistes concentriques, sous forme d'alvéoles de longueur variable, profondes de 0,83 µ et espacées de 1,6 µ. Durant la lecture du CD, un laser de faible puissance parcourt ces pistes, se réfléchissant de diverses manières au passage des niches. Ces variations sont alors détectées par une cellule photoélectrique, la séquence binaire étant ainsi lue, puis transformée en sons à l'aide d'un convertisseur numérique-analogique.
  • CD-ROM : le CD-ROM permet de stocker actuellement diverses données jusqu'à des capacités de 700 Mo. Les normes ne sont pas comme pour les DVD éparses mais uniformisées : un CD-R correspond à un CD-ROM inscriptible, et un CD-RW à un CD-ROM réinscriptible.

Niveau lecture, c'est une cellule photoélectrique qui permet de capter le rayon réfléchi, grâce à un miroir semi-réfléchissant. Au passage sur le CD le rayon laser se réfléchit sur les différentes alvéoles avec des variations du signal qui grâce à la cellule photoélectrique permettent sa traduction en système binaire.

  • DVD : depuis le début de l'année 1997 est commercialisé un nouveau support optique, le DVD (Digital Versatile Disc), disque qui présente le même aspect extérieur qu'un CD audio, mais dont la capacité est multipliée. Grâce à l'utilisation d'un laser de longueur d'onde plus courte, la gravure est en effet plus fine, la dimension des alvéoles étant ainsi réduite à 0,4 µ et leur écartement à 0,74 µ.

Les DVD existent en version "double couche" et sont constitués d'une couche transparente à base d'or et d'une couche réflexive à base d'argent. La lecture des deux zones est possible grâce à des intensités variables du laser : avec une intensité faible le rayon se réflechit sur la surface dorée - lorsqu'on augmente cette intensité le rayon traverse la première couche et se réfléchit sur la surface argentée.

Et le blu-ray ?

Le diamètre du rayon lumineux qui éclaire les pits lors de l'écriture et de la lecture doit être adapté à leur largeur (afin de ne pas « déborder » sur les parties mitoyennes du sillon). Ce diamètre est lié à la couleur du laser ou, plus exactement, à sa longueur d'onde. La longueur d'onde est comprise, pour la lumière visible, entre 0,380 micromètre pour le violet, et 0,780 micromètre pour le rouge. Alors que la technologie DVD utilise un laser rouge, d'une longueur d'onde de 0,650 micromètre, celle du Blu-Ray emploie un laser bleu-violet, plus fin que le laser rouge, d'une longueur d'onde de 0,405 micromètre.
Le système optique d'un lecteur Blu-Ray, comme celui d'un DVD, ne se contente pas de concentrer un rayon laser sur la couche des données : il doit aussi capter la lumière renvoyée par la couche réfléchissante. Cette lumière forme un cône dont le sommet correspond au point d'impact du faisceau laser et dont la base est délimitée par la circonférence de la lentille du système optique. Comme les pits d'un disque Blu-Ray sont plus petits et plus rapprochés que sur un DVD, ils renvoient aussi moins de lumière : « l'oeil » du lecteur Blu-Ray doit donc être plus sensible que celui des DVD. La solution adoptée : augmenter la sensibilité des lecteurs Blu-Ray en utilisant une lentille plus large, capable de recevoir plus de lumière.
Un disque Blu-Ray peut contenir beaucoup plus de données qu'un DVD. Comme sur les DVD, les 0 et les 1 correspondent à des suites de minuscules trous, appelés pits. Alors que leur longueur atteint 0,40 micromètre (millionième de mètre) sur un DVD, ils ne mesurent que 0,138 micromètre de long, soit 2,6 fois moins, sur un disque Blu-Ray ! Ces pits sont disposés sur un sillon (on parle aussi de « piste ») qui se déroule de l'intérieur vers l'extérieur, dans le sens des aiguilles d'une montre. Sur un DVD, la largeur du sillon est de 0,74 micromètre, contre 0,32 micromètre sur un disque Blu-Ray.

A l'instar du DVD, un disque Blu-Ray est constitué de plusieurs couches, ou layers. La première, composée de plastique (un substrat de polycarbonate), assure la rigidité du disque (son épaisseur est de 1,1 mm). La couche métallique réfléchissante, placée entre le plastique et la couche de données, est chargée de renvoyer, vers le bloc optique, la lumière qui transperce la couche de données. Enfin, toutes ces strates sont recouvertes d'une couche de polycarbonate transparent. Cette couche est bien plus fine sur un disque Blu-Ray (0,1 mm) que sur un DVD (0,6 mm). Les données sont ainsi plus proches du rayon laser. C'est pour cela qu'un vernis très résistant, conçu pour les disques Blu-Ray, protège l'ensemble.