Lumière concentrée : les lasers
Bonjour
Il y a quelques temps nous avions explicité l'une des façons dont la lumière était émise : tout corps chaud émet un rayonnement. Plus la température est élevée, plus la lumière émise possède une énergie élevée (plus la longueur d'onde est courte). Ainsi, le corps humain émet lui aussi de la lumière correspondant aux infrarouge (énergie faible, longueur d'onde plus grande que la lumière visible). Le soleil quant à lui, émet une lumière allant de la lumière visible aux UV (très énergétiques, longueur d'onde courte) et même rayons X, rayons gamma (encore plus énergétiques).
L'autre façon de porduite de la lumière, cette fois ci de façon artificielle est par l'excitation des atomes. C'est le principe des lasers (principe découvert par Einstein en 1917)
Le mot LASER est en fait un acronyme signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement...
L'application des lasers est large :
- dans notre vie quotidienne : lecteur de CD, lecture des codes barres dans les supermarchés,
- dans le domaine médical : ils traitent les zones malades sans toucher aux parties saines (chirurgie laser, épilation laser)
- dans l'industrie : ils permettent de couper, percer, souder avec une grande précision des objets en cours d'usinage.
Principe du laser
Il nous faut rentrer ici dans quelques considérations de physique quantique, et bien que cela ne soit pas mon domaine, je vais essayer de faire simple.
* Structure de l'atome
Toute matière est constituée d'atomes, la partie la plus petite d'un élément de matière (en fait depuis la découverte de l'atome et la création du mot, des éléments encore plus petits ont été découverts).
L'atome est constitué d'un noyau, son centre solide, tout petit et concentré de matière et de sa masse. Le noyau est fait de protons (charges positives) et de neutrons.
Autour de ce noyau très dense, gravitent des électrons (attirés par le centre), de charge négative ce qui assure la neutralité de charge d'un atome. Peut-on arracher ces électrons de l'emprise du noyau de l'atome? Oui, c'est un phénomène bien connu de notre vie quotidienne : on se coiffe par exemple, le peigne arrache par frottement des électrons aux cheveux, qui se chargent alors positivement, le peigne négativement. C'est le phénomène d'électrostatisme ou électricité statique.
Revenons à notre atome bien constitué (sans arrachage d'electron). Les électrons sont disposés sur différentes couches avec des niveaux d'énergie différents. Le nombre d'électron et les niveaux d'énergie sur lesquels ils se situent, sont bien spécifiques pour chaque type d'atome et c'est ce qui distingue les différents éléments chimiques de notre univers.
Un électron ne se trouve jamais à un endroit précis mais il circule sur un niveau d'énergie bien particulier. Les valeurs de ces niveaux d'énergie sont spécifiques pour chaque atome, on dit qu'ils sont "quantifiés". Plus l'électron sera près du noyau plus son niveau énergie sera faible : plus il sera attiré par le noyau, plus il sera difficile à "déloger", c'est l'état le plus stable...
* Génération de lumière
Sous l'effet d'une stimulation, un atome peut "s'exciter", sortir de son état de repos, c'est-à-dire qu'un de ses électrons, s'il reçoit une quantité d'énergie précise, peut grimper vers une couche supérieure (la valeur de la quantité d'énergie à recevoir de l'extérieur correspond à la différence entre les niveaux d'énergie d'une couche à l'autre). C'est le phénomène d'absorption.
La stimulation necessaire à ce gain d'énergie, cela peut être par ex. suite à une collision avec un atome ou un électron accélèré en raison d'une tension électrique ou d'une source de chaleur ou suite à une intéraction avec une source lumineuse.
Ensuite, une fois que l'atome est excité, il ne reste pas dans cet état instable, et il se "désexcite"...l'electron ayant migré, redescend sur son niveau normal, qui est un état plus stable. Or, il y a un surplus d'énergie correpondant à la différence entre les deux niveaux mis en jeu : cet excès est rendu à l'extérieur sous forme de lumière ! C'est un peu, pour illustrer et reprendre un phénomène de la vie quotidienne que nous connaissons bien, le phénomène de phosphorescence où les atomes d'abord excités par la lumière du jour, reémettent ensuite de la lumière car les atomes se "désexcitent" lentement. On parle d'émission spontanée lorsque le phénomène de désesxcitation se produit naturellement, spontanément sans intervention extérieure. On parle d'émission stimulée, lorsqu'un atome excité, reçoit encore davantage d'énergie sous la forme d'une onde lumineuse : il y a desexcitation et le rayonnement incident est alors "amplifié" : la lumière arrivant sur les atomes excités, repart avec une énergie double !
Modèle de Bohr : Source ICI
* Le laser
Le laser n'est autre qu'un "amplificateur" de lumière reposant sur le principe de l'émission stimulée. POur le laser, il s'agit d'un échantillon de matériau phosphorescent qui aura été préalablement excité placé entre deux miroirs. Un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois (phénomène d'émission spontanée), puis réfléchi sur l'un des miroirs, puis réamplifié, etc. L’un des miroirs est semi-réfléchissant (une partie de la lumière sort du dispositif) et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité.
Source ICI
Selon la puissance et le type de rayonnement émis par le laser, celui-ci peut être dangereux pour la vue.
Applications récentes dans le domaine médical
Une première mondiale a récemment été réalisée à la Salpétrière à Paris par une équipe de neuro-cirurgiens français : la destruction de tumeurs cérébrales grâce à la technologie du laser. Après introduction d'une fibre optique dans le crâne du patient (via un petit orificie de 3mm, pas d'ouverture de boite cranienne donc), le laser est positionné au coeur meme de la tumeur et permet la destruction thermique des cellules malignes, l'opération est suivie par IRM.
Les premiers résultats sont plutôt encourageants : la plupart des 15 patients traités n'ont eu aucun effet secondaire, ni aucune récidive alors que leur espérance de vie initiale n'excédait pas 3 mois !
Source : Sciences et Avenir (Octobre 2008)
Quelques grands noms de l'histoire du laser
A. Einstein (description de l'émission stimulée en 1917)
Premier laser conçu en 1953 par Gordon, Zeiger et Townes
Pour en savoir plus :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser
http://www.science-et-vie.net/definition-laser-127.html
http://www.science.gouv.fr/fr/dossiers/bdd/res/2970/le-laser-histoire-d-un-rayon/
http://robotchirurgie-news.blogspot.com/2008/09/le-laser-contre-le-cancer.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Niveau_excit%C3%A9
http://www.e-scio.net/ondes/laser.php3
http://www.dsgentreprise.fr/manu/principe.html
http://science-for-everyone.over-blog.com/article-26296744.html
