Le laser: un concentré de lumière 9 >Le laser: un concentré ... - CEA

LA COLLECTION
> De la création d’un faisceau à ses applications
1 > L’atome
2 > La radioactivité
3 > L’homme et les rayonnements
4 > L’énergie
5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission
6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire
7 > Le cycle du combustible nucléaire
8 > La microélectronique
9 > Le laser
10 > L’imagerie médicale
DE LA RECHERCHE
À L’INDUSTRIE
>Le 9 laser:
un concentré
de lumière
LES CARACTÉRISTIQUES ET LA FABRICATION
DE LA LUMIÈRE LASER
LES DIFFÉRENTS LASERS
LES LASERS DE RECHERCHE AU CEA
LES LASERS INDUSTRIELS
INDISPENSABLE MAIS… ATTENTION!
© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2003
Direction de la communication
Bâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedex
www.cea.fr
ISSN 1637-5408.

2
> SOMMAIRE > INTRODUCTION
3
Les caractéristiques
particulières
de la lumière laser
sont exploitées
dans de multiples
domaines.
Le laser: un concentré
de lumière
© CEA/A. Gonin
LA LUMIÈRE LASER 4
La fabrication de la lumière
laser 6
L’émission stimulée 6
L’inversion de population 6
L’oscillateur laser 7
Les amplificateurs lasers 8
LES DIFFÉRENTS LASERS 10
La couleur d’un laser 11
La puissance d’un laser 12
L’éclairement d’un laser 13
La cohérence dans le temps
et dans l’espace 13
LES LASERS
DE RECHERCHE AU CEA 16
La Ligne d’intégration laser
(LIL), un prototype 17
Le laser Mégajoule,
le plus grand 17
Le laser Térawatt,
petit et puissant 18
Le laser Femtoseconde,
l’ultrarapide 19
© CEA/A. Gonin
LASERS INDUSTRIELS,
DES TRAVAILLEURS
DE PRÉCISION 20
Lasers CO 2 21
Lasers YAG dopés
au néodyme 22
Lasers nanoseconde 22
Lasers “puces”, les micros 23
INDISPENSABLE MAIS…
ATTENTION! 25
Le domaine ultraviolet 26
Le domaine visible et proche
infrarouge 27
Le domaine infrarouge 27
Faisceau laser.
“Au service de la science,
de la médecine, de l’industrie et
au cœur de notre vie quotidienne,
le laser est partout présent.”
introduction
les années 60 naissaient les premiers
Dans LASERs, acronyme de “Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation”
(amplification de lumière par émission stimulée
de rayonnement). Très vite, leur lumière magique
a trouvé de multiples applications: les lasers
se sont installés dans notre vie quotidienne au
cœur de nos lecteurs de disques compacts ou
dans les lecteurs des codes-barres dans les
supermarchés. Ils font la beauté des spectacles
qui portent leur nom. D’autres sont de grands
travailleurs de précision. Dans l’industrie, ils
coupent, ils soudent et percent. En médecine,
ils réparent ou brûlent les zones malades sans
toucher aux parties saines. Les faisceaux rectilignes
des lasers servent aussi à aligner des
routes, des tunnels… Mais pourquoi les lasers
sont-ils capables de faire toutes ces choses alors
que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou
une ampoule, ne peut pas les réaliser
Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes
les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent
dans leurs travaux pour des applications
classiques (alignement, perçage, soudage,
découpage…) mais ils innovent et en développent
de nouveaux pour des usages spécifiques.
C’est le cas de nombreux lasers de
puissance à l’aide desquels ils étudient, par
exemple, l’interaction d’une très forte énergie
avec la matière.
Les lasers sont des outils souvent indispensables
pour de nombreuses applications, mais il ne faut
pas oublier les risques qui y sont associés. Une
unité du CEA en étudie les effets sur l’organisme.
La recherche sur la technologie des lasers n’est
pas terminée. De nouvelles applications pourraient
voir le jour dans quelques années.
Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © CEA/CNRS - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 03/2003
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

4
> LA LUMIÈRE LASER 5
CONSTANT ET ORDONNÉ, LE FAISCEAU LASER
RESTE MONOCHROMATIQUE ET SE DIRIGE
TOUJOURS DANS LA MÊME DIRECTION.
La lumière laser
Les lasers produisent une lumière domptée bien
différente de la lumière ordinaire produite par
le Soleil ou les ampoules de nos maisons. Les
propriétés du laser vont être à la base des applications
utilisant ce type de lumière.
Faisceau laser.
© CEA/A. Gonin
COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
La lumière ordinaire est…
• De plusieurs couleurs:
avec un prisme, la lumière
que l’on voit blanche
peut être décomposée
en un arc-en-ciel.
• Multidirectionnelle:
les différentes ondes
lumineuses se déplacent
dans toutes les directions
de l’espace à partir de la
source.
• Désordonnée:
les différentes ondes
lumineuses ne sont pas
émises en même temps.
Elles oscillent de manière
désordonnée,
indépendamment
les unes des autres.
La lumière laser est…
• D’une seule couleur:
on dit qu’elle est monochromatique.
Il existe de nombreux types
de lasers de couleurs différentes.
• Unidirectionnelle:
toutes les ondes lumineuses se
déplacent dans la même direction
et forment un faisceau de lumière
étroit, non divergent.
• Ordonnée (ou cohérente):
toutes les ondes sont en phase, c’està-dire
avec leurs “bosses” et leurs
“creux” aux mêmes endroits. C’est
le caractère ondulatoire de la lumière
laser. Il est possible de comparer la
lumière laser à une armée de petits
soldats “marchant au pas cadencé”
et la lumière ordinaire à une foule
de personnes se déplaçant au hasard.
© PhotoDisc
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

6 > LA LUMIÈRE LASER
Désexcitation spontanée d’un atome
Échelles d’énergie
> LA LUMIÈRE LASER 7
“Dans l’oscillateur, une source d’énergie
lumineuse, électrique ou chimique
excite les particules du milieu laser
qui émettent alors de la lumière.”
Atome
Un atome excité peut libérer de l’énergie
spontanément sous forme de photons.
Photon
incident
Désexcitation d’un atome
par émission stimulée
Atome
Échelles d’énergie
Photon émis
Photon
incident
Photon
émis
Un atome excité peut libérer son trop-plein d’énergie
par une émission stimulée lors de la capture d’un photon
identique à celui qu’il aurait libéré spontanément.
Les deux photons repartent avec des caractéristiques
complètement identiques.
LA FABRICATION
DE LA LUMIÈRE LASER
L’émission stimulée
Un atome, un ion ou une molécule excités
peuvent libérer leur énergie
par émission spontanée d’un
photon. Cependant, il existe
L’excitation
d’un système
est l’augmentation
de son énergie.
un autre mode d’émission, l’émission stimulée
d’un photon prévue par Albert Einstein en 1917.
Décrivons le phénomène. Une particule (atome,
ion ou molécule) excitée émet un photon grâce
à la stimulation que provoque l’arrivée d’un
photon de même énergie que celui qu’il pourrait
potentiellement émettre. La particularité
de ce type d’émission est que le photon stimulé
prend strictement les mêmes caractéristiques
(couleur, direction de la trajectoire
et phase) que le photon incident, comme si le
second était la photocopie du premier.
L’inversion de population
L’émission stimulée agit donc comme une
duplication de la lumière. En répétant de
nombreuses fois ce phénomène, il est possible
de créer une lumière qui est composée de
“La lumière laser est
composée de photons
qui possèdent
strictement les mêmes
caractéristiques.”
photons tous identiques, de même couleur,
émis en même temps et dans la même direction
comme s’ils étaient la copie conforme les
uns des autres: c’est la lumière laser.
La seule découverte de l’émission stimulée n’a
cependant pas été suffisante pour créer des
lasers. En effet, dans la matière, les atomes,
les ions ou les molécules sont beaucoup plus
nombreux dans un état non excité que dans un
état excité. Il n’est donc pas possible de provoquer
assez d’émission stimulée pour produire
de la lumière laser. Il fallait trouver un moyen
de renverser la tendance et d’obtenir dans le
milieu plus d’atomes (ou ions ou molécules)
excités que d’atomes au repos. Ce processus
est appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949,
apporta une solution à ce problème: le pompage
optique. Cette méthode permet de transférer
de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces
résultats lui valurent le prix Nobel de physique
en 1966. Le premier milieu utilisé a été le
rubis, un cristal d’alumine contenant un léger
pourcentage (0,05%) d’oxyde de chrome. Ces
ions chrome absorbent facilement le vert et
le bleu (d’où la couleur rouge du rubis) et
peuvent être excités en les éclairant avec un
flash intense de lumière blanche. Ils émettent
ensuite leur énergie sous forme de photons de
lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur
d’onde) de manière stimulée ou non. Les premiers
lasers furent donc des lasers à rubis. Le
pompage optique n’est pas la seule façon
d’obtenir l’inversion de population. Celle-ci peut
être aussi provoquée par décharge électrique
ou par certaines réactions chimiques.
L’oscillateur laser
Pour fabriquer la lumière laser, il faut un oscillateur
laser et une source d’énergie (voir schéma
page 8).
L’oscillateur est une sorte de boîte en forme
de cylindre allongé avec, à chacune de ses extrémités,
un miroir. Il contient le milieu laser qui est
une collection de particules excitables (atomes,
ions ou molécules) se trouvant sous forme
de solide, de liquide ou de gaz. Par exemple,
le rubis est un milieu laser solide. Les particules
excitables sont les ions chrome.
La source d’énergie en fournit assez aux particules
pour obtenir une inversion de population
(plus de particules excitées que de particules
non excitées). L’énergie absorbée par les particules
du milieu laser pourra être potentiellement
libérée sous forme de lumière. La source d’énergie
peut être de différents types: lumineuse, électrique
ou chimique, par exemple.
L’oscillateur laser va servir à produire la lumière.
Imaginons un photon émis spontanément dans
le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire
aux plans des miroirs (voir schéma page 8).
En rencontrant une particule excitée, il va stimuler
l’émission d’un deuxième photon. Les
deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler
d’autres émissions de photons et ainsi de
suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre
le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire
au plan de celui-ci, ils seront renvoyés
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

8
> LA LUMIÈRE LASER
“L’oscillateur laser est une sorte de boîte
en forme de cylindre allongé avec,
à chacune de ses extrémités, un miroir.”
> LA LUMIÈRE LASER 9
© CEA/A. Gonin
Oscillateur d’un laser à colorant.
Miroir
Oscillateur laser
Oscillateur laser
Milieu laser
Source
d’énergie
Particule
excitable
Faisceau laser
Miroir semi-transparent
Une source d’énergie va exciter les particules du milieu
laser qui pourront alors émettre de la lumière.
strictement en sens inverse et continueront de
nouveau à provoquer des émissions stimulées.
Un peu comme dans une réaction en chaîne,
le nombre de photons identiques qui vont et
viennent entre les miroirs va donc augmenter
à chaque passage: c’est la première amplification
de la lumière laser.
Pour que le faisceau laser sorte de l’oscillateur
laser, l’un des deux miroirs est semi-transparent
(une partie de la lumière n’est pas réfléchie par
le miroir, elle traverse le miroir comme s’il était
transparent).
Lorsque la source d’énergie excite en continu
les particules du milieu laser, l’oscillateur
produit de la lumière laser en continu. Après
une rapide phase de mise en route, le rayon
sortant garde une puissance constante. Si la
Énergie délivrée par unité de temps.
L’énergie est mesurée en joules (J)
et la puissance est mesurée
en watts (W). Un watt égale un joule
par seconde.
source d’énergie
envoie par intermittence
une
décharge d’énergie
dans l’oscillateur, la lumière laser est produite
de manière discontinue, par impulsions
très brèves et très intenses. On dit que le laser
est impulsionnel. C’est, par exemple, le cas avec
le pompage optique où l’énergie est apportée
par un flash lumineux comme celui d’un appareil
photographique.
Les amplificateurs laser
La lumière laser produite par un oscillateur
peut, pour certaines applications, être utilisée
directement. Mais dans le cas où il est
nécessaire d’avoir une puissance beaucoup
Oscillateur laser
Faisceau divergent
plus grande, il faut amplifier la lumière laser
émise par l’oscillateur dans une série d’amplificateurs.
L’amplificateur est constitué d’un milieu laser
sans miroirs aux extrémités. Son principe de
fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur.
Les particules du milieu laser sont
excitées par une source d’énergie et les photons
qui vont traverser l’amplificateur vont produire
par réaction en chaîne de nombreux
autres photons identiques: la lumière laser est
amplifiée. Étant donné l’absence de miroirs,
les photons ne passent qu’une fois dans le
milieu laser.
Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs
amplificateurs sont placés sur la trajectoire du
faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation
de la puissance, il faudra augmenter
le diamètre du faisceau et des amplificateurs
afin d’éviter que l’énergie grandissante de la
Chaîne d’amplification laser
Amplificateurs laser
Lentille
Cible à éclairer
lumière laser ne casse les composants optiques
(milieux laser en verre…). Il sera ensuite focalisé
par une lentille. La suite constituée de
l’oscillateur, des amplificateurs et d’autres
composants optiques (miroirs, lentilles…)
constitue une chaîne laser.
“L’amplificateur
déclenche une réaction
en chaîne produisant
de nombreux photons
identiques: la lumière
laser est amplifiée
et beaucoup plus
puissante.”
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

10
> LES DIFFÉRENTS LASERS
11
POUR REMPLIR LEUR MISSION, ILS CHANGENT
DE COULEUR, DE PUISSANCE, ÉMETTENT EN
CONTINU OU PAR IMPULSION…
Les différents
lasers
LA COULEUR D’UN LASER
La couleur du laser est définie par le choix du
milieu laser. Il existe des lasers de toutes les
couleurs : rouge, bleu, vert… Certains d’entre
eux sont même constitués de lumière invisible
comme les ondes infrarouges ou ultraviolettes.
Les multiples couleurs des lasers
font la beauté de nombreux spectacles son et
lumière. Quelques exemples de lasers sont
donnés dans le tableau ci-dessous.
© CEA/A. Gonin
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
TYPE DE LASER MILIEU LASER PARTICULES EXCITABLES COULEUR
Diodes laser Semi-conducteur Électrons-trous Rouge-infrarouge
Laser hélium-néon Gaz hélium-néon Atomes de néon Rouge
Laser à rubis Rubis (solide) Ions chrome Rouge
Laser argon Gaz d’argon Ions argon Bleu, vert et invisible
(ultraviolet)
Laser krypton Gaz de krypton Ions krypton Rouge
Laser à excimères Mélange de gaz Groupement Invisible
rare et d’halogène. de deux atomes (ultraviolet)
Les plus courants
sont les mélanges
de xénon et de chlore
ou de krypton et
de fluor.
Laser à Vapeur de cuivre Atomes de cuivre Vert et jaune
vapeur de cuivre
(deux niveaux d’excitation)
Laser CO 2 Mélange gazeux Molécules de CO 2 Invisible (infrarouge)
constitué d’azote,
d’hélium et de
dioxyde de
carbone* (CO 2 )
Laser Nd-YAG** Grenat d’aluminium Ions néodyme Invisible (infrarouge)
et yttrium (YAG)
dopé au néodyme (Nd)
Laser verre-néodyme Verre dopé au Ions néodyme Invisible (infrarouge)
néodyme (solide)
Laser à colorant Colorant dans un Molécules de Différentes plages
solvant colorant de couleurs en fonction
du colorant
* Le dioxyde de carbone est plus connu sous le nom de gaz carbonique.
** YAG: Yttrium Aluminium Garnet.
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

12
> LES DIFFÉRENTS LASERS
> LES DIFFÉRENTS LASERS
13
“L’éclairement d’un laser
est défini par le nombre de watts
par centimètre carré.”
La plupart des lasers ne peuvent émettre que
sur une seule longueur d’onde. Il existe cependant
des lasers dont on peut régler la longueur
d’onde. On dit qu’ils sont accordables. Les principaux
sont les lasers à colorant. Leur milieu
laser est un liquide contenant un colorant, particule
excitable. Les molécules de colorant, une
fois excitées, ont la particularité d’émettre sur
un grand intervalle de longueurs d’ondes. Des
réglages optiques très précis vont sélectionner
la longueur d’onde désirée et permettre ainsi
un grand nombre d’applications.
LA PUISSANCE D’UN LASER
Dans le cas des lasers continus, l’étendue des
puissances de sortie va classiquement de 1 mW
à 50 kW. Le plus gros laser industriel d’Europe
a été implanté à Yutz-Thionville en 1994. Il
s’agit d’un laser CO 2 (dioxyde de carbone) dont
la puissance de sortie continue est de 45 kW.
Il est dédié à des applications de soudage sur
une forte épaisseur.
Dans le cas de lasers impulsionnels, il faut distinguer:
• la puissance moyenne de sortie, qui tient
compte également des intervalles de temps entre
chaque impulsion;
• la puissance de crête, qui est la puissance
atteinte lors de l’impulsion.
Par exemple, un laser d’un watt donnant sa
lumière de façon continue aura une puissance
d’un joule/seconde, mais s’il concentre une
énergie d’un joule en une décharge lumineuse
d’une milliseconde, sa puissance de crête va
© CEA
Laser à vapeur de cuivre.
être multipliée par mille et sera d’un kilowatt.
Le fait de délivrer leur énergie sur des temps
très courts (nanoseconde voire picoseconde)
permet pour certains
lasers d’étude
d’atteindre des
puissances de crête
extrêmement élevées
(jusqu’à plusieurs
térawatts).
Térawatt (TW): 10 12 watts,
soit un million de millions
de watts.
Nanoseconde: 10 -9 seconde,
soit un milliardième de seconde.
Une nanoseconde est le temps
pendant lequel un avion
commercial se déplace d’un tiers
de micron (un millionième
de mètre). Picoseconde:
10 -12 seconde, soit mille fois plus
petit que la nanoseconde.
Plus modeste, un laser
industriel dédié au soudage,
de puissance
moyenne de 1 kW, pourra disposer d’une puissance
de crête de 25 kW.
© CEA/DSM
Harmonique d’un laser.
L’ÉCLAIREMENT D’UN LASER
Les diamètres des faisceaux émis par les
lasers (plusieurs dizaines de mm pour les
lasers de puissance industriels) ne permettent
pas, le plus souvent, une utilisation
directe de ces faisceaux. La focalisation
permet d’augmenter considérablement l’éclairement
qui se définit en nombre de watts par
centimètre carré (W/cm 2 ). Par exemple, l’éclairement
du Soleil peut atteindre 0,1 W/cm 2 .
Une loupe qui focalise la lumière du Soleil
peut permettre d’atteindre un éclairement de
100 W/cm 2 , ce qui suffit pour enflammer du
papier. Pour certains lasers, la focalisation
peut être obtenue par des systèmes optiques
à lentilles si les flux et/ou la longueur d’onde
du faisceau le permettent. D’autres ont des
dispositifs à miroirs, ce qui est un cas courant,
ou des montages à réseau de diffraction
focalisant, ce qui est beaucoup plus rare.
La focalisation est, par exemple, indispensable
pour les opérations industrielles de perçage,
soudage et découpage. Elle est aussi
utile pour les lasers de puissance utilisés par
les chercheurs pour étudier l’interaction
lumière-matière.
LA COHÉRENCE DANS LE TEMPS
ET DANS L’ESPACE
La cohérence du laser dans le temps et dans
l’espace regroupe les propriétés d’unidirectionnalité
et de “monophasage”. Elle est souvent à
la base des applications potentielles des lasers.
C’est la cohérence du laser, par exemple, qui
va permettre la lecture des disques compacts.
La propagation d’une onde lumineuse est
parfaitement rectiligne. Or, comme toutes les
ondes du laser se propagent dans la même
direction, un faisceau laser n’est pas divergent
comme la lumière d’une lampe de poche,
par exemple. Il est parfaitement rectiligne et
visible sur de grandes distances. Cette propriété
est utilisée lors des spectacles laser
où le rayon lumineux se poursuit loin dans
l’espace ou bien pour l’alignement des tracés
de routes et de tunnels… Ainsi, un laser a
été utilisé lors de la construction de la tour
Montparnasse.
Les lasers servent aussi dans la télémétrie, c’està-dire
la mesure à distance. Le faisceau laser
atteint une cible qui le renvoie en sens inverse.
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

14
> LES DIFFÉRENTS LASERS
> LES DIFFÉRENTS LASERS
15
© CEA
“Un faisceau laser
est parfaitement
rectiligne.”
La vitesse de la lumière étant connue, il est
possible, en mesurant le temps mis par le faisceau
laser pour faire l’aller et le retour, de
connaître la distance séparant la source laser
d’un obstacle. Cette méthode a même permis
le calcul précis de la distance Terre-Lune.
La télémétrie, qui recourt au laser, permet des applications
en astrophysique.
© Lacroix/Ruggieri
Pour quelques applications
courantes, des petites
diodes laser sont
employées comme
des composants
électroniques ordinaires.
Les lasers utilisés
en chirurgie offrent une
précision d’intervention
qu’aucun autre instrument
ne permet.
© LRMH/J.-P. Bozellec
Essais de nettoyage
de la cathédrale
Saint-Maurice d’Angers
au faisceau laser.
Dispositif optomécanique
du laser Alisé.
© PhotoDisc
© Getty Images
La puissance des faisceaux
laser utilisés dans certains
spectacles n’est que de
quelques watts.
© CEA/A. Gonin
PRINCIPALES UTILISATIONS DES LASERS EN FONCTION DE LEUR PUISSANCE
UTILISATION PUISSANCE MODE DE FONCTIONNEMENT REMARQUES GÉNÉRALES
Lecture des Quelques Continu Petites diodes laser qui
disques compacts milliwatts s’alignent dans les
appareils comme des
Lecture des codes-barres
composants
dans les supermarchés
électroniques ordinaires.
Lasers d’alignement Environ Continu Petits lasers (par exemple,
pour les travaux publics 10 milliwatts lasers hélium-néon).
ou les carrossiers…
Guidage d’engins
de travaux publics
Lasers de transport Quelques Continu ou Petites diodes laser.
des télécommunications dizaines impulsionnel Ces faisceaux laser sont transportés
de milliwatts
à travers toute la planète et sur de très
longues distances le long de fibres
optiques tendues sous terre ou
dans la mer.
Discothèques, Quelques Continu Lasers à argon ou à hélium-néon,
spectacles laser watts par exemple.
Applications Puissance en Continu ou Lasers YAG ou lasers à CO 2 .
médicales fonction des impulsionnel Les lasers utilisés pour des
applications
applications médicales sont assez
Chirurgie interne:
puissants. Ils peuvent brûler une
opérations non
partie endommagée dans le
traumatiques
corps, souder la rétine sur l’œil…
Mais attention, le médecin ou
Chirurgie externe:
le dentiste doivent avoir la main
soins de l’œil (décollements
sûre. Cependant, aucun autre
de rétine), soins des dents
instrument ne permet une
(caries), bistouri…
intervention aussi précise.
Nettoyage et préparation Puissances de Impulsionnel Lasers excimères ou laser YAG.
de surface (par exemple, crête de l’ordre (très courtes Ce procédé permet d’éliminer
décapage au laser des de 10 7 à 10 8 watts impulsions: quelques totalement ou de façon sélective
monuments historiques) (pour des dizaines à quelques des couches surfaciques recouvrant
puissances de centaines de différents matériaux sans les
10 à 20 watts nanosecondes) altérer en dessous, en concentrant
pour les lasers YAG
le faisceau laser sur les zones
par exemple).
à décaper.
Soudage Quelques Continu ou Lasers YAG (100 W à 2 kW) et
des métaux dizaines impulsionnel lasers CO 2 (100 W à 50 kW).
de watts à
50 kilowatts.
Puissance selon
l’épaisseur.
Découpage de matériaux, 1 à 3 Continu ou Lasers YAG et
tels que le bois, kilowatts (kW) impulsionnel lasers CO 2 .
le Plexiglas ou les métaux
Interaction laser-matière, 15 à 500 Impulsionnel Au CEA, laser Alisé
physique des plasmas térawatts (TW) laser LIL et
laser Mégajoule.
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

16
> LES LASERS DE RECHERCHE AU CEA
17
ULTRAPUISSANTS ET ULTRARAPIDES,
LEURS PERFORMANCES SONT PRÉCIEUSES
POUR LES SCIENTIFIQUES.
Les lasers de
recherche au CEA
© CEA
Le CEA a conçu et développé des lasers de puissance
pour des recherches tant pour la Défense
que pour le civil. En effet, la Ligne d’intégration
laser (Lil) et le laser Mégajoule sont des
lasers dédiés à la physique des armes nucléaires.
Ils répondent également aux études de base
sur la physique de la matière aux hautes densités
d’énergie (plasmas, fusion nucléaire…).
D’autres lasers permettent au même titre des
avancées scientifiques. C’est le cas du laser
Femtoseconde qui donne la possibilité de suivre
le mouvement des atomes au millionième de
millionième de seconde ou le laser Térawatt qui
est utilisé pour déterminer les interactions d’une
lumière intense sur la matière.
LA LIGNE D’INTÉGRATION LASER
(LIL), UN PROTOTYPE
Ce laser est un prototype mis en service en 2002
permettant de valider les choix conceptuels
et technologiques prévus pour le futur laser
Mégajoule. Il comporte huit faisceaux identiques
qui sont tous orientés sur une même cible. La
convergence de ces faisceaux sur une cible
permet d’étudier la fusion par “confinement inertiel”.
Actuellement, cet équipement est le laser
opérationnel le plus grand au monde jusqu’au
démarrage du laser Mégajoule. L’énergie de ce
laser est très grande par rapport aux autres lasers.
Or les optiques et les milieux amplificateurs de
la lumière laser ne peuvent pas supporter une
trop grande densité de puissance. Pour éviter
la destruction de ces composants, il faut répartir
la puissance lumineuse sur une grande surface.
© CEA
C’est pourquoi les “laseristes” ont eu recours à
des amplificateurs de grande dimension, d’une
technologie plus élaborée. Ainsi, la Ligne d’intégration
laser a une longueur de 150 m, une
largeur de 70 m et une hauteur de 23 m.
LE LASER MÉGAJOULE, LE PLUS
GRAND
Avec ses 240 faisceaux (soit 30 Lil), le laser Mégajoule
devra, en 2010, délivrer une énergie lumineuse
de 1,8 million de joules. Il sera notamment
capable de porter à une température de
70 millions de degrés quelques dixièmes de milligrammes
d’hydrogène. Pour cela, ses faisceaux
convergeront vers une cible laser (coquille de
quelques millimètres de diamètre) remplie d’un
mélange d’isotopes d’hydrogène. Pour amener
Le laser Mégajoule
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

18
> LES LASERS DE RECHERCHE AU CEA
> LES LASERS DE RECHERCHE AU CEA
19
l’énergie jusqu’à la cible, une impulsion laser de
très faible énergie est amplifiée progressivement,
sur une très grande distance (450 m). Le laser
Mégajoule se déploiera sur 300 m de longueur,
160 m de largeur, contenant quatre halls laser
de 128 m de longueur et 14 m de hauteur.
Ces installations sont nécessaires pour garantir le
fonctionnement et la sûreté des armes nucléaires
en l’absence d’essais. Elles contribuent également
à mieux comprendre le fonctionnement
des étoiles et plus particulièrement du Soleil.
LE LASER TÉRAWATT,
PETIT ET PUISSANT
Ce type de laser présente l’avantage d’être très
compact. Il est cependant moins énergétique.
© CEA/A. Gonin
Le laser Térawatt délivre un faisceau
d’une grande qualité optique.
Il délivre un faisceau de grande qualité optique.
Son éclairement peut atteindre 10 18 W/cm 2 ,
soit la concentration sur un centimètre carré
de la lumière émise par 10 millions de milliards
d’ampoules de 100 W.
LE LASER PÉTAWATT
Le laser Pétawatt (10 15 watts) est un projet
à venir sur l’une des huit chaînes de la Lil.
Son éclairement peut atteindre 10 20 W/cm 2 ,
soit la concentration sur un centimètre carré
de la lumière émise par 1000 millions de milliards
d’ampoules de 100 W. Avec un laser de classe
Pétawatt, le champ des études de la fusion
contrôlée pourrait être étendu à la physique
du noyau atomique et même à des applications
médicales.
Le laser Femtoseconde:
un “appareil photo”
autorisant un temps
de pause de l’ordre
du millionième de
millionième de seconde!
LE LASER FEMTOSECONDE,
L’ULTRARAPIDE
Grâce à la faible durée de ses impulsions, le
laser Femtoseconde permet d’atteindre des
puissances élevées avec une grande résolution
temporelle. On peut ainsi étudier des phénomènes
extrêmement fugitifs tels qu’une réaction
chimique. Le laser Femtoseconde est alors
utilisé comme un appareil photo dont le temps
de pause est suffisamment court pour suivre
le mouvement des atomes, on parle de laser
“sonde”. En faisant varier le retard entre
l’impulsion laser et le déclenchement de la
réaction chimique, on en reconstitue le “film”
dont la durée totale est typiquement de l’ordre
d’un millionième de millionième de seconde.
© CEA/A. Gonin
LIGNE D’INTÉGRATION LASER
CENTRE CEA DU CESTA
LASER MÉGAJOULE
CENTRE CEA DU CESTA
LASER TÉRAWATT
CENTRE CEA DE SACLAY
LASER FEMTOSECONDE
CENTRE CEA DE SACLAY
UTILISATION
CARACTÉRISTIQUES
Mode de fonctionnement
Durée de l’impulsion
Énergie laser de sortie
Puissance
Milieu(x) laser utilisé(s)
Longueur d’onde
fondamentale
Longueur d’onde de sortie
Laser de recherche. Études
fondamentales sur la physique des armes
nucléaires – fusion thermonucléaire,
physique des plasmas denses et chauds.
impulsionnel
1 nanoseconde (10 -9 seconde)
60000 joules
15-60 térawatts (TW)
verre dopé au néodyme
infrarouge
ultraviolet
Laser de recherche. Études
fondamentales sur la physique des armes
nucléaires – fusion thermonucléaire,
physique des plasmas denses et chauds.
impulsionnel
1 nanoseconde (10 -9 seconde)
1,8 million de joules
500 térawatts (TW)
verre dopé au néodyme
infrarouge
ultraviolet
Laser de recherche. Recherches sur
l’interaction de lumière très intense
avec la matière.
impulsionnel
1 picoseconde (10 -12 seconde)
1 joule par impulsion
1 térawatt (TW)
verre dopé au néodyme
infrarouge
infrarouge
Laser de recherche. Études fondamentales nécessitant une
grande résolution temporelle ou des éclairements intenses
pendant des temps brefs.
impulsionnel
100 femtosecondes (10 -13 seconde)
jusqu’à 100 MJ par impulsion (faisceau infrarouge)
jusqu’à 0,75 térawatt (TW)
• saphir dopé au titane (faisceau infrarouge)
• colorants laser (faisceaux visibles)
génération simultanée de deux faisceaux visibles
accordables et d’un faisceau infrarouge.
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

20
> LASERS INDUSTRIELS, DES TRAVAILLEURS DE PRÉCISION
21
DES LASERS DÉVELOPPÉS PAR LE CEA,
D’UNE GRANDE SIMPLICITÉ, FIABLES, ROBUSTES
ET PEU COÛTEUX.
Lasers industriels,
des travailleurs
de précision
Utilisation des lasers
industriels
Ces lasers de puissance, développés dans plusieurs
centres du CEA, ont de multiples applications
pour le travail des matériaux: trempe,
soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la
fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau
va se concentrer grâce au système d’optique.
Après focalisation, son éclairement peut
atteindre 10 8 W/cm 2 à 10 9 W/cm 2 . Les densités
d’énergie étant très importantes, il suffit de
quelques microsecondes pour obtenir la fusion
et la vaporisation du matériau à souder.
Les lasers YAG permettent le soudage des matériaux
métalliques jusqu’à des épaisseurs de
3 mm, les lasers CO 2 , jusqu’à 6 mm.
“Grâce aux lasers de
puissance, quelques
microsecondes suffisent
à obtenir la fusion et
la vaporisation d’un
matériau à souder.”
© PhotoDisc
LASERS CO 2
Pour les lasers CO 2 , l’excitation moléculaire
doit se faire avec de forts courants, en impulsions.
L’émission résultante est très puissante.
CARACTÉRISTIQUES
Mode de fonctionnement: continu
Puissance maximale en continu:
de 500 W à 6 kW selon machine et énergie
Amplificateur laser: mélange de gaz
carbonique, d’azote et d’hélium
Faisceau infrarouge (1,06 m m)
Poids d’un laser CO 2 de forte puissance:
plusieurs tonnes
Transport du faisceau par miroirs
Soudage d’aluminium par laser.
Une plate-forme s’est installée en Île-de-France,
issue du partenariat du CEA, du CNRS, de la DGA
et de l’Institut Fraunhofer (ILT), nommée CLFA
(Coopération laser franco-allemande). Son activité
est principalement axée sur le soudage par lasers
YAG continus. Dans ce cadre, elle est associée
à de nombreux industriels des milieux automobiles,
aéronautiques (Rolls Royce, Renault, Peugeot,
Snecma…), entre autres.
© L. Sabatier/CLFA
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

22
> LASERS INDUSTRIELS, DES TRAVAILLEURS DE PRÉCISION
> LASERS INDUSTRIELS, DES TRAVAILLEURS DE PRÉCISION
23
Cependant, ils nécessitent l’utilisation de
sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz,
excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant
plus vrai que la puissance de sortie
demandée est élevée (pour une application
telle que l’usinage).
Laser de forte puissance moyenne.
Microlaser vert développé par le CEA de Grenoble et
le Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information.
LASERS YAG* DOPÉS
AU NÉODYME
Le faisceau d’un laser YAG peut, à l’heure
actuelle, être transporté par fibre optique (silice
de diamètre de 1 mm) sur des longueurs de
plusieurs mètres et pour des puissances
moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être
transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.
© CEA
© CEA/Artechnique
CARACTÉRISTIQUES
Mode de fonctionnement: impulsionnel
Durée de l’impulsion: 1 à 20 millisecondes
Fréquence de répétition:
1 à 1000 Hz, selon machine et énergie
Énergie maximale par impulsion: 150 joules
Puissance moyenne maximale:
70 watts à 1,5 kilowatt selon machine
Puissance de crête maximale: 30 kilowatts
Amplificateur laser: grenat d’aluminium
et d’yttrium dopé au néodyme (YAG)
Faisceau infrarouge (1,06 m m)
Poids d’un laser YAG: plusieurs centaines
de kilos.
*YAG: Yttrium Aluminium Garnet.
LASERS NANOSECONDE
Une plate-forme, basée à Saclay et portant le nom
de “Plani”, est constituée de six lasers Nd-YAG
déclenchés et pompés par des diodes continues
couvrant un large domaine d’émission (UV, visible
et infrarouge). Dédiée à la technologie nanoseconde,
elle permet le développement de nouvelles
applications telles que le microperçage, le
marquage, le nettoyage, le traitement de surface
ou la microdécoupe dans différents secteurs
industriels, notamment automobile, aéronautique,
agroalimentaire, spatial… Grâce à leur durée
d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes,
ces lasers ont la même puissance que
les lasers traditionnels, mais ils ont l’avantage
de réaliser du micro-usinage de très grande
précision, sans échauffement du matériau.
CARACTÉRISTIQUES
Mode de fonctionnement: continu ou
impulsionnel selon les applications
Durée de l’impulsion: 0,5 à 5 nanosecondes
Fréquence de répétition: 1000 à
100000 hertz (impulsions par seconde)
Énergie laser par impulsion: 0,5 à 50 mJ
Puissance moyenne: 1 à quelque
100 milliwatts
Puissance de crête: 0,5 à 50 kilowatts
Amplificateur laser: cristal laser (YAG dopé
au néodyme) ou verre (verre phosphate dopé
à l’erbium)
Faisceau: visible (0,5 micron) et infrarouge
(1, 1,5 et 2 microns)
LASERS “PUCES”, LES MICROS
Ces lasers sont développés par le centre CEA
de Grenoble et le Leti (Laboratoire d’électronique
et de technologie de l’information).
Les lasers “puces” (traduction du terme en
anglais “microchip laser”) sont des microlasers
solides les plus simples et les plus compacts possible,
avec une dimension typique de 0,5 mm 3 .
“D’une précision
microscopique,
ils découpent, nettoient
et marquent tout
en finesse.”
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

24
> LES LASERS INDUSTRIELS, DES TRAVAILLEURS DE PRÉCISION
25
RISQUES DE BRÛLURES ET DE VIEILLISSEMENT :
L’ŒIL ET LA PEAU SONT PARTICULIÈREMENT
MENACÉS PAR UNE SUREXPOSITION AU LASER.
Indispensable
mais… attention!
© CEA/Artechnique
Les lasers “puces”, robustes et simples à utiliser,
laissent entrevoir une véritable révolution
technique dans le domaine des lasers solides.
Ils sont fabriqués en utilisant des procédés
collectifs permettant de réaliser simultanément
et sans aucun réglage plusieurs milliers de
lasers “puces”. Ainsi, leur coût de fabrication
peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement
fiables, robustes et simples à utiliser,
sans aucune nécessité de réglage ou de
maintenance. Le laser “puce” est pompé par
une diode laser et se comporte comme un
transformateur de lumière laser. En effet, il
permet d’obtenir, à partir d’une diode laser
aux caractéristiques médiocres, un faisceau
laser naturellement circulaire et peu divergent,
monofréquence, et de forte puissance de crête
impulsionnelle très utile pour de nombreuses
applications.
Le faible coût, la grande fiabilité et l’excellente
qualité du faisceau des lasers “puces” sont des
facteurs déterminants pour les applications
comme:
• la télémétrie laser (mesure de distance et de
vitesse sans contact). Dans le secteur automobile,
ces lasers pourraient servir à détecter et
donc à éviter les obstacles;
• le micromarquage et la microdécoupe sur tous
types de matériaux;
• les oscillateurs avant les amplificateurs dans
les lasers de très forte puissance;
• la fabrication de lasers visibles (verts) compacts;
• la détection de gaz polluants.
La fabrication collective des lasers “puces”
commence par la découpe de lames de 0,5 à
1 mm d’épaisseur et de diamètre 25 mm de
milieu laser. Ces lames sont polies avec un
excellent parallélisme sur les deux faces. Les
miroirs de l’oscillateur laser sont déposés
directement sur ces faces. Ensuite, chaque
lame est découpée en plusieurs centaines
de petits lasers “puces” élémentaires de
1mm 2 . Chaque laser “puce” est monté dans
un boîtier pour être pompé longitudinalement
par une diode laser infrarouge.
“Qualité de l’air:
le laser détecteur
de gaz polluants.”
© CEA/L. Médard
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière

26
> INDISPENSABLE MAIS… ATTENTION !
> INDISPENSABLE MAIS… ATTENTION !
27
Symbole de la montée des nouvelles technologies,
l’outil laser est de plus en plus utilisé en
chirurgie, dans les laboratoires de recherche, les
industries et notre univers quotidien (lecteurs
de disques compacts, imprimantes…). Au CEA,
le laser est également un outil de recherche et
d’exploitation utilisé dans de nombreux domaines.
Les rayonnements laser présentent des risques
plus ou moins importants pour l’œil et la peau
en fonction de leur puissance, du temps
d’exposition, de la dimension du faisceau et
de la longueur d’onde du laser (ultraviolet, infrarouge,
voire visible).
En fonction de ces paramètres, les effets
biologiques ne seront pas les mêmes. Les
mécanismes d’interaction sur les tissus
pourront être thermiques, photochimiques,
électromécaniques
ou photoablatifs.
Destruction par l’effet de l’énergie rayonnante.
Réactions chimiques en relation
avec l’énergie rayonnante.
LE DOMAINE ULTRAVIOLET
(100-400 NANOMÈTRES)
Les effets photochimiques néfastes des rayonnements
ultraviolets naturels (UV) sont bien
connus. Ainsi, sur la peau, les lasers UV peuvent
engendrer des brûlures photochimiques,
un vieillissement prématuré voire des cancers.
Certains lasers sont susceptibles de provoquer
des coupures (ablations) dans le tissu cutané.
Pour ce qui concerne les yeux, et notamment
la conjonctive et la cornée, des surexpositions
au faisceau laser UV peuvent entraîner des
brûlures.
24 heures après irradiation
laser, les noyaux des
cellules sont visualisés
grâce au marquage
fluorescent de l’ADN
(en bleu). Certains noyaux
présentent des anomalies
(taille, forme)
et un marquage rose
montre la présence
de la protéine p53.
Cependant, avec toutes les précautions nécessaires,
les caractéristiques exceptionnelles
d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont
utilisées en chirurgie de la cornée, afin de corriger
les myopies. Pour corriger une dioptrie,
1 m m (10 -6 m) de la cornée est retirée. Les
effets à long terme de ces traitements sont
toutefois peu connus et la formation précoce
de cataractes est suspectée. Les risques pourraient
être associés aux effets secondaires des
photons qui n’ont pas été utilisés (voir page 6)
lors de l’ablation de tissu cornéen.
Grâce à des expérimentations cellulaires, les
chercheurs du CEA ont montré que l’irradiation
laser (193 nm) était considérée comme
un stress par les cellules et que ce rayonnement
pouvait déclencher un mécanisme de
mort programmée (apoptose) dans des cellules
de cornée en culture. L’activation d’une protéine
régulatrice du devenir des cellules (la
p53, “gardienne du génome”) a été également
démontrée.
Dans les cellules survivantes, l’induction d’un
processus de photo-vieillissement est suggérée
par les résultats obtenus.
© CEA/DSV/DRR/LRP/C. Chapel
LE DOMAINE VISIBLE ET PROCHE
INFRAROUGE (400-1400 NM)
Il représente un domaine de rayonnement laser
extrêmement dangereux en raison de la pénétration
de ces rayonnements à travers les milieux
oculaires. Sur l’œil, les rayons sont focalisés,
par la cornée et le cristallin, sur la rétine entraînant
des diminutions de l’acuité visuelle, voire
des risques de cécité. Les lésions peuvent être
révélées lors d’examens angiographiques. Sur
la peau, une surexposition aux rayonnements
occasionnera des brûlures.
LE DOMAINE INFRAROUGE
(DE 1400 NM-1 MM)
Leurs rayons n’atteignent pas la rétine, mais entraînent
des lésions thermiques de la cornée, ainsi
que des pertes de transparence du cristallin. Des
brûlures cutanées ont également été observées.
Le but des recherches du CEA est de trouver des
marqueurs biologiques des lésions de la cornée.
Les recherches réalisées au CEA de Fontenayaux-Roses
permettent de mieux connaître les
SÉCURITÉ LASER
Les lasers sont des outils souvent indispensables pour
de nombreuses applications, mais il ne faut pas en oublier
les dangers potentiels. Leur utilisation peut présenter
des risques pour l’homme en fonction de la puissance.
L’œil est l’organe le plus fragile vis-à-vis de la lumière laser.
En effet, si le faisceau est dirigé dans l’œil, celui-ci est
focalisé, ce qui augmente l’éclairement sur la rétine.
Cette dernière peut alors être endommagée même avec
des lasers de faible puissance (dès 1 mW). Pour éviter cela,
les laseristes portent des lunettes spéciales.
© CEA/DSV/DRR/LRP/C. Chapel
Visualisation de l’impact
laser par la technique
d’angiographie.
Lésion de la cornée induite par une impulsion de 3 ns,
1570 nm. La lésion est au centre du cercle blanc, située entre
les deux marqueurs (5 impulsions). Observation pratiquée
30 minutes après l’irradiation.
effets des rayonnements laser sur l’organisme
et d’en apprécier les mécanismes moléculaires.
Ces travaux sont nécessaires pour définir ou
améliorer les limites d’exposition du fait de l’évolution
technologique des lasers. Ils contribuent
également à une meilleure utilisation du rayonnement
laser dans le génie biomédical.
Affiche reproduite avec l’autorisation de l’INRS.
© CEA/DSV/DRR/LRP/C. Chapel
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière
De la création d’un faisceau à ses applications
9 > Le laser : un concentré de lumière