Un point lumineux hyper-concentré, capable de transpercer de l’acier comme si c’était du beurre. Un rayon vert émeraude zigzaguant dans un labyrinthe de miroirs. Une arme silencieuse capable de neutraliser des cibles mobiles distantes de plusieurs centaines de km. Le rayon laser fait fantasmer les écrivains, mais la réalité ne manque pas de sel, elle non plus. Grâce à lui, la micro-chirurgie permet de sauver des vies ; des données peuvent être transmises à la vitesse de la lumière ; des gaz influençant le climat peuvent être détectés dans la stratosphère.
L’histoire du rayon laser démarre avec celle de l’atome. Sur notre planète, tout, depuis la plus petite parcelle de poussière jusqu’à notre corps en passant par le journal que vous tenez entre les mains ; est composé d’atomes. Il existe 90 variétés d’atomes, très répandus comme ceux d’hydrogène ou de carbone, ou plus rares comme ceux de baryum ou d’antimoine. Les atomes se distinguent par le nombre d’électrons qui tourbillonnent autour de leur noyau.
Pour produire un rayon laser, il faut « exciter » des atomes à l’aide d’un rayon lumineux, de chaleur ou d’un courant électrique. Ce qui a pour effet de modifier l’orbite des électrons, le faisant changer de « niveau » par rapport au noyau, produisant une énergie plus ou moins importante. L’excitation d’un atome ne dure pas longtemps et l’électron reprend rapidement son orbite originelle. En revenant à cet état initial, l’électron dégage une énergie prenant la forme d’un photon lumineux. C’est ainsi que fonctionnent les ampoules à incandescence : le courant électrique excite les atomes d’un filament métallique et, lorsque leurs électrons retournent à leur état initial, ils dégagent de la lumière. C’est en intervenant sur le niveau d’excitation de ces atomes que l’on peut contrôler l’intensité lumineuse.
Un rayon laser est une forme cohérente de lumière. Alors qu’une source lumineuse traditionnelle émet des photons dans toutes les directions et selon des longueurs d’onde (et donc couleurs) différentes, le rayon laser est constitué de photons ne disposant pas tout à fait de la même longueur d’onde mais « ondulant » de manière simultanée dans la même direction.
De ce fait, la lumière laser est monochrome, cohérente et particulièrement dense. Un résultat obtenu par l’utilisation de miroirs. Revenons vers les bases : le terme « laser » est un acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). En clair, des chercheurs ont découvert que certains atomes (à l’état gazeux, liquide ou solide) pouvaient être excités par exposition à des sources lumineuses ou électriques, ce qui permettait de produire des photons. Et ils ont vite compris que l’emploi de miroirs leur donnerait la possibilité de guider ces photons dans une seule et même direction.
Imaginez un tube cylindrique empli de gaz, avec un miroir à chaque extrémité. Lorsque le gaz contenu dans le tube est excité, il émet des milliards de photons dans toutes les directions. Par hasard, certains de ces photons vont frapper l’un des miroirs selon un angle précis de 90°, rebondissant ainsi vers le miroir opposé. Si l’un de ces photons croise la route d’un atome excité, il le force à émettre un nouveau photon de même longueur d’onde et de même direction. A mesure qu’un nombre croissant de photons rebondit sur ces miroirs, ils créent un mince et intense rayon de lumière concentrée. Et, c’est là l’astuce, l’un de ces miroirs est semi-réfléchissant : il renvoie une moitié des photons qui le frappent vers l’autre miroir, l’autre moitié le traversant et créant ce fameux rayon laser.
DVD et Blu-Ray
Plusieurs heures de film en haute définition sur une mince galette, c'est l'exploit technologique, qui nous semble aujourd'hui si banal, des DVD et disques Blu-Ray. Une fois numérisée, l'œuvre est gravée sur la surface du disque sous forme de microscopiques cavités qui seront ensuite balayées et décryptées par un rayon laser hyper-concentré, un « creux » étant interprété comme un 0, un « plat » comme un 1. Un disque Blu-Ray bénéficie d'une capacité 5 fois supérieure à celle d'un DVD grâce à une augmentation de la densité des cavités (éloignées de 0,32 micron l'une de l'autre) et à un laser bleu-violet (de 405 nm de longueur d'onde) nettement plus précis que le laser rouge à 650 nm utilisé pour lire un DVD.
Laser et médecine
Cela fait maintenant plus de 40 ans que chirurgiens, ophtalmologistes, dentistes ou dermatologues se sont laissés séduire par la précision du laser. Et ils l'utilisent pour inciser, cautériser, coaguler ou parfois, vaporiser un tissu.
Les raisons sont multiples. Une incision réalisée par laser cicatrise plus vite et est moins sujette aux infections. Pour un neuro-chirurgien, le laser permet d'opérer avec précision une tumeur cervicale, à l'aide d'un laser à CO² de faible puissance. Côté ophtalmologie, les lasers LASIK sont utilisés pour corriger la forme de la cornée d'un myope. De leur côté, les dentistes traitent gencives et caries avec des lasers à diodes de faible puissance. Et les dermatologues procèdent à des séances d'épilation à l'aide de lasers rubis capables de tuer les follicules pileux sous la surface épidermique. Enfin, en matière de chirurgie esthétique, des lasers créent de minuscules trous dans l'épiderme afin de pousser les tissus environnants à produire une plus grande quantité de collagène et ainsi effacer les rides.
Laser industriel
Dans l’industrie, de puissants lasers guidés automatisés servent à découper avec une précision millimétrique toutes sortes de matériaux, acier inoxydable, aluminium, titane, bois ou granit. Une sorte de patron est dessiné à l’aide d’un logiciel informatique afin de paramétrer précisément tous les mouvements et la puissance du laser. Ces lasers très spéciaux fonctionnent au dioxyde de carbone ; un tel laser de 400 W coupe une feuille d’acier de 3 mm comme s’il s’agissait de beurre. Et c’est un peu ce qui se passe réellement : la chaleur dégagée par le rayon laser ultra-concentré fait fondre l’acier tout en produisant une découpe parfaitement lisse.
Extrait du magazine Comment ça marche n°7