1

2

SOMMAIRE INTRODUCTION 3 PARTIE 1 (Laroche Noémie) : Quelles ont été les différentes étapes de la création du laser ? Introduction 4 I. Présentation du laser 5

- Définition du dictionnaire 5 - Les caractéristiques du laser 5 - Son fonctionnement 6

II. 1917 - Formulation du principe 8 - Einstein 8 - Le principe du laser 8

III. Du maser au laser de nos jours 11 - Le maser 11 - Première émission 11 - Mise au point du laser à gaz et à liquide 12 - Le laser bleu 12

PARTIE 2 (Fagno Maxime) : Comment le laser à t'il été utilisé dans les année qui ont suivi son invention ?

Introduction 14 I – Utilisation industrielle 14

- Découpe laser 14 - Restauration des œuvres au laser 16 - Autres utilisations dans le domaine industriel 19

II – Utilisation pour les mesures 20 - Mesure au Lidar 20 - Autres utilisations dans le domaine de la mesure 24

III – Utilisation au quotidien 24 - Lecteur et cédérom 24 - Imprimante laser 27

CONCLUSION 30

Bibliographie. 31

3

Le laser « Light Amplifacation by Simulated Emission of radiation » est une invention du XXème siècle. Ce processus scientifique s’est développé lentement et sans but précis. On à quand même très

rapidement trouver de nombreuses utilité pour le laser. Nous allons tout d’abord étudier son fonctionnement et son histoire pour ensuite aborder ses utilisations. Quelles ont été les différentes étapes de la création du laser ? Comment le laser à t'il été utilisé dans les année

qui ont suivi son invention ?

4

LASER qui signifie « Light Amplification by Simulated Emission of Radiation », est le nom donné par Richard Gordon Gould à cette invention. En français cela signifie « Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». C’est une invention qui a été élaboré de 1917 à nos jours, toujours plus complexe d’années en années… En passant d’une simple énonciation du principe, à la conception du MASER, en passant par la mise au point jusqu’au laser bleu. Nous allons étudier en détail chaque étape concernant le laser jusqu'à aujourd’hui. Les lasers sont classés d’une part en fonction de leurs modes de fonctionnement et d’autre part en fonction du milieu actif utilisé. Cependant ils restent tous des lasers avec un mode de fonctionnement familier. On caractérise la lumière laser pour quatre choses : sa directivité, elle est monochromatique, cohérente et elle amplifie la lumière de base. Un laser émet une lumière monochromatique c’est à dire de longueur d’onde précise et unique. Une lumière monochromatique n’est pas forcément une lumière cohérente. Cependant la lumière laser, elle, est cohérente. On dit d’une lumière qu’elle est cohérente lorsque tous les photons sont en phase. C’est grâce à cette cohérence particulière du laser que l’énergie transportée par le rayon est très importante et rend la lumière extrêmement directionnelle et d’une grande pureté spectrale. C’est ainsi que la lumière est amplifiée, on peut donc parler de rayon laser. Après avoir présenté et expliqué le fonctionnement du LASER ce qui nous paraît être une étape évidente dans ce TPE nous répondrons à la problématique : Quelles ont été les différentes étapes de la création du laser ?

5

I. Présentation du laser � Définition du dictionnaire (Le nouveau petit Robert de la langue française 2007) : Générateur d’ondes électromagnétiques fonctionnant sur le principe de l’émission stimulée d’un rayon monochromatique cohérent qui permet d’obtenir une grande puissance énergétique très directive et un faisceau très fin. � Les caractéristiques de la lumière laser :

• La divergence du faisceau laser est très faible : le faisceau est très

directif. Une grande partie des applications du laser mettent en œuvre la très grande directivité du faisceau.

• La valeur de la puissance lumineuse émise par le laser peut paraître faible.

Cependant, la réponse à la photodiode1 est presque dix fois plus importante lorsqu’elle est placée sur le trajet du faisceau laser que lorsqu’elle est placée à 20 cm de la lampe à incandescence : c’est que cette puissance se trouve répartie sur la très faible section du faisceau. La puissance par unité de surface du faisceau, ou intensité énergétique, est donc donnée par :

E (en Watt/m²) = Flux énergétique (en Watt) / Surface (en m²)

Certain lasers, les lasers à impulsions émettant pendant des durées très brèves, de l’ordre de 10-15 secondes peuvent délivrer pendant une telle durée une puissance de 1TW soit mille fois la puissance d’un réacteur nucléaire. La durée de telles impulsions est la plus courte durée d’un phénomène produit par l’homme. En effet le rayonnement laser peut être émis en « impulsions déclenchées » (de quelques picosecondes à quelques centaines de nanosecondes), en « impulsions relaxées » (de la microseconde à quelques centièmes de seconde) et en « émission continue » (supérieure a 0.25 seconde). Cependant pour tous les lasers, l’intensité énergétique émise est beaucoup plus élevée que celle des sources de lumière classique.

• La lumière laser est une lumière monochromatique, c’est à dire qui ne

contient qu’une fréquence ou qu’une longueur d’onde bien déterminée. Le spectre de la lumière laser, à notre échelle d’observation ne comporte qu’une seule raie. Sa longueur d’onde est donc précise et unique. Les longueurs d’ondes des radiations émises par les différents types de lasers sont comprises entre 10nm et 100µm.

6

• Cette lumière est aussi de source cohérente. On appelle cohérence d’une source de lumière son aptitude à permettre la réalisation de phénomènes lumineux bien contrastés et visibles. Ces phénomènes lumineux pourront prendre des valeurs élevées. On peut parler de cohérence spatiale, temporelle ou spectrale. La cohérence spatiale fait que les rayons sont parallèles entre eux et ont la même direction. Si l’émission de tous les photons s’effectue en même temps on parlera de cohérence temporelle et si le rayonnement est monochromatique (de même longueur d’onde) la cohérence sera spectrale. C’est pourquoi on parle de rayon laser.

� Son fonctionnement :

Tout d’abord, il est nécessaire d’introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d’énergie discret (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si on considère l’image selon laquelle les électrons orbitent autour du noyau, cela revient à dire qu’ils ne peuvent se trouver que sur certaines orbites bien précises. La connaissance du niveau où peuvent se trouver les électrons définit l’état de l‘atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d’énergie avec un nombre entier n, pouvant prendre les valeurs 1, 2,… L’état n=1 est donc l’état d’énergie la plus basse, correspondant à un électron sur « l’orbite » la plus proche du noyau. Ensuite, le principe de fonctionnement d’un laser est d’exciter les électrons d’un milieu, puis y déclanché l’émission de photons en cascade. Ces photons sont émis sous forme d’un rayon (caractéristique de la lumière laser). Le laser est fondamentalement un amplificateur de lumière. C’est pourquoi le dispositif du laser consiste en un réservoir d’électrons appelé milieu actif. Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux. Il est associé à une source excitante qui élève les électrons à des niveaux d’énergie supérieurs. Cette excitation du milieu actif est appelée « pompage ».

Image : Schéma d’un laser typique

(Source : OPUS)

7

Dans un second temps, de la lumière est injectée dans le milieu et provoque des collisions entre les photons et des électrons excités. Lors de ces collisions les électrons reviennent à leur niveau d’énergie initial et renvoient de nouveaux photons. Deux miroirs situés aux extrémités du laser se réfléchissent les photons émis, la lumière se densifiant à chaque parcours. L’un des deux miroirs est semi réfléchissant, ce qui permet à une fraction de la lumière d’être relâchée à chaque aller-retour. C’est ce processus dit « d’émission stimulée » et d’origine quantique qui amplifie la lumière. La lumière laser doit sa cohérence au fait que les photons du milieu naissent sur le passage d’autres photons qui sont en phase avec eux dans leur déplacement. De plus les photons obtenus par émission stimulée ont la même énergie et la même direction que les photons incidents, ce qui explique la pureté et la directivité du faisceau (les photons qui ne se déplacent pas dans l’axe des miroirs vont se perdre dans les parois opaques). Dans le cas de lasers à impulsions, il n’y a pas de miroir semi réfléchissant : le laser est équipé d’un obturateur qui libère le faisceau lorsque l’on commande le tir. Entre deux impulsions, il faut un certain temps pour que le milieu actif soit convenablement pompé. L’émission lumineuse d’un corps est due à une certaine diminution de l’énergie des éléments qui le composent, par exemple lors du passage d’électrons des orbites externes aux orbites internes d’un même atome.

8

II. 1917 - Formulation du principe Albert Einstein (1879-1955) : Physicien allemand, suisse puis américain, il publia en 1905 cinq mémoires sur l’étude des problèmes fondamentaux de la physique qu’il étudiait pour son loisir. Auparavant il fut polytechnicien et ingénieur au bureau des inventions techniques de Berne en 1902. Dans le deuxième mémoire il parle de l’effet photoélectrique où il applique la notion de quanta d’énergie de Max Planck à la lumière et est à l’origine du concept du photon et de la mécanique ondulatoire. Ses débats avec Neils Bohr sur la mécanique quantique permis cependant d’en préciser les fondements. C’est comme cela qu’il découvrit le principe d’un rayon lumineux plus tard appelé Maser puis Laser. On ne parle pas beaucoup de l’article d’Einstein sur « la théorie quantique du rayonnement ». Après avoir travaillé sur la relativité restreinte puis générale de 1905 à 1916 il se remet au travail sur la mécanique quantique. Entre-temps il y a eu l’analyse de Niels Bohr sur « la quantification de la matière », à savoir, le fait qu’un électron dans un atome occupe des niveaux d’énergie et donc des orbites données, sans pourvoir descendre-en dessous d’une certaine orbite. C’est donc Einstein qui reprend ce travail et publie dans son article en 1917 des équations et une synthèse à ce sujet. Il affirme que la lumière est effectivement constituée de “quanta” d'énergie que l'on appellera plus tard des “photons”. Ainsi, l'émission de lumière par la matière s'effectue photon par photon. Le principe Voici les principaux processus d’interaction entre la lumière et la matière énoncés par Einstein :

(Réf : Dangoisse, Les lasers)

• L’absorption : Lorsqu’il est éclairé par un rayonnement électromagnétique

(la lumière), un atome peut passer d’un état à un état supérieur en prélevant l’énergie correspondant sur le rayonnement. On dit que ce processus est résonant. C'est-à-dire que la fréquence de rayonnement doit être proche de Bohr atomique pour qu’il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par :

9

∆E = (En’ - En) (avec En’ > En qui sont les énergies de deux états n’ et n où n’ > n). On peut aussi interpréter ce processus comme l’absorption d’un photon du rayonnement (d’énergie ∆E) faisant passer l’atome du niveau d’énergie En vers le niveau d’énergie En’. La condition de résonance correspond alors à la conservation d’énergie.

a) Schéma des niveaux énergétiques d'un atome à deux niveaux énergétiques avec un électron à l'état fondamental En b) l'atome absorbe un photon (en bleu) d'énergie E, l'électron passe au niveau supérieur En’ c) l'atome émet un photon d'énergie E lorsque l'électron retourne au niveau fondamental.

(Source : OPUS)

• L’émission spontanée : Dans le processus d’émission spontanée, un atome transite spontanément du niveau 2 vers le niveau 1 en émettant un photon d’énergie. Au bout d’une certaine durée où l’électron est au niveau supérieur, l’atome se désexcite, et étant donné que les électrons doivent naturellement être le plus près possible de l’état fondamental, les électrons ne vont pas rester sur leur niveau excité. Donc ils reviennent au niveau d’énergie inférieur. Si plusieurs photons sont émis simultanément, il n’existe aucune relation de phase entre eux. On dit qu’ils sont incohérents.

Différence entre l’émission spontanée et l’émission stimulée.

10

• L’émission stimulée : En 1917, les deux processus d’interaction présentés précédemment (émission spontanée et l’absorption) sont les seuls observés à l’époque d’Einstein. Mais pour que son modèle corresponde à la loi de Planck pour le corps noir, Einstein est obligé d’introduire un 3ème mécanisme d’interaction : c’est l’émission stimulée. Par opposition, l'émission stimulée de lumière, elle, est provoquée par un processus extérieur à l'atome. Dans ce phénomène, un premier photon est émis par émission spontanée. Ce photon, en rencontrant une particule excitée du milieu dans lequel il se trouve, en provoquera la désexcitation et la forcera à émettre un deuxième photon. Ce nouveau photon est en tout point identique au premier émis par émission spontanée. Le fait est que les deux ondes associées aux deux photons incidents sont émises en phase.

Processus de l'émission stimulée. Le niveau le plus énergétique est celui qui est le plus éloigné du noyau de l'atome. a) un atome est désexcité par émission spontanée et émet un photon (en rose) b) le photon émis interagit avec un atome excité c) cet atome se désexcite en émettant un photon identique au photon incident

(Source : OPUS)

Cette invention d’Einstein dans la mécanique quantique conduit à son prix

Nobel en 192. La découverte de l’émission stimulée a donc mené plus tard à l’invention du Laser.

11

III. Du MASER au LASER de nos jours. � Le Maser

En 1953, Charles Hard Townes, James Gordon et Hubert Zeiger réalisent un Maser à l’université de Columbia. Maser qui est l’acronyme de Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation. Il s’agissait alors d’un maser à ammoniac. Il existe maintenant deux types de maser : à ammoniac et à hydrogène. Ce dispositif a permis d’émettre un faisceau cohérent de micro-ondes. Ces micro-ondes, émises par un maser, sont obtenues en augmentant artificiellement le nombre d’atomes émettant à une fréquence donnée. Cette augmentation s'obtient en excitant un milieu selon un principe analogue à celui du pompage optique utilisé dans le laser. Il fonctionne avec le principe énoncé par Einstein, c’est pourquoi il est l’ancêtre du laser. Cependant on l’utilise encore aujourd’hui en interférométrie et en métrologie. Les masers servent aussi à obtenir la fréquence de référence utilisée dans les horloges atomiques.

� Mise au point du laser par Théodore Maiman. C’est en 1960 que Théodore Maiman obtint pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. L'impulsion est un rayon de couleur rouge. Ce laser à rubis fonctionne grâce aux ondes électromagnétiques. C’est donc Théodore Maiman, ce physicien de 33 ans qui a été le premier à faire jaillir d’un cristal de rubis un rayonnement laser. Pour ce, autour d’un petit barreau de rubis synthétique de 5mm de diamètre et 4cm de longueur un simple tube flash enroulé en hélice. L'énergie du flash stimule les atomes de chrome au cœur du

12

cristal. Les photons sont amplifiés par des réflexions successives sur les deux faces du barreau qui joue le rôle de miroirs internes à cette cavité résonnante. Un phénomène qui explique la raison pour laquelle cette invention a pris le nom de l’acronyme de Light Amplification by Simulated Emission of Radiation c'est-à-dire le laser. Après cette première émission les chercheurs se précipitent pour tester toutes les sortes de matériaux. Des matériaux cristallins ou gazeux mais aussi des matériaux organiques. Maiman à donc déclanché le début de la création du laser. C’est à partir de là que tout le monde

commence à inventer des lasers avec toutes sorte de matières. Même le Pentagone s’excite et cherche de nouvelles armes éventuelles à base du laser. Le laser est très vite devenu utile mais les recherches ne se sont pas arrêtées là.

� Mise au point du laser a gaz puis a liquide

En 1961, Ali Javan met au point un laser au gaz. Un laser où le milieu excité est un gaz. Ali Javan à construit ses lasers à gaz avec pour gaz le mélange hélium-néon. La puissance de sortie est faible (quelques mW) mais la dispersion en fréquences aussi. Cette lumière très pure est utile en interférométrie, en holographie ou dans les appareils servant à l’alignement, par exemple dans les travaux publics. Le laser à gaz carbonique, lui, permet des puissances élevées, de plusieurs kW, et s’utilise pour l’usinage et la chirurgie. Puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide. Exactement comme pour le laser à gaz, on appelle un laser à liquide un laser qui a pour milieu excité un milieu liquide. Le liquide est constitué de colorants organiques dissous dans un solvant. C’est le mélange et le dosage des colorants organiques qui déterminera la longueur d’onde de faisceau. Le rayonnement émis peut être continu ou discontinu suivant le mode de pompage. � Le laser bleu par le CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) Plus la longueur d’onde d’un faisceau laser est courte, plus le diamètre de focalisation du laser est petit et plus la densité d’information que l’on peut stocker est grande. Le laser bleu, a une longueur d’onde très courte. Avec, on peu enregistrer et lire de la musique pendant 10 heures sur un CD. Son spectre d’application est tout à fait impressionnant, c’est pourquoi à partir de 1991 une « compétition » internationale commence, à savoir qui émiettera le laser le plus bleu possible. Dès 1991, car c’est la date de la réalisation de la première diode laser émettant dans le bleu-vert par les chercheurs de la société Américaine 3M. Fabriquer des lasers à semi-conducteurs émettant dans le vert, le bleu ou à plus

13

courte longueur d’onde, est en fait d’un intérêt considérable au plan scientifique et au plan économique. Les résultats de 1991 sont reproduits et améliorés par d’autres équipes au Etats-Unis, au Japon, puis en Europe. Fin 1994 dans la société Japonaise Sony, on a réussi à faire fonctionner un laser bleu pendant une heure à température ambiante (25°Celsius soit environ 300 Kelvin) en mode continu. Il a fallu attendre 1995 pour que la première émission d’un laser bleu ait lieu en France. Ainsi, le spectre d’application d’un laser bleu est tout à fait impressionnant : mémoires magnéto-optiques à très haute densité, enregistrement et lecture optique, entrée-sortie optique, traitement optique de l’information, imagerie numérique, mémoires holographiques, ordinateur optique, communication à courte distance par fibre plastique, ainsi que communications sous-marines. Ce résultat remarquable quant à la rapidité avec laquelle il a été obtenu, n’est cependant qu’une première étape puisque l’objectif est d’obtenir un laser bleu fonctionnant à température ambiante en mode continu pendant une dizaine de milliers d’heures.

14

Plusieurs année après sont invention, le Laser n’avait toujours pas été utilisé. Cependant, on le retrouve, aujourd’hui, dans des domaines aussi différents

que variés. En voici un bref aperçu !

On analysera d’abord les différentes utilisation du laser dans les domaines industrielle avant de nous intéressée aux mesures réalisable avec la

technologie laser. Enfin, nous nous intéresserons à son utilisation dans la vie de tous les jours !

1. Utilisation Industrielle

1) Découpe laser

Définition : Le découpage laser est un procédé de fabrication qui utilise un laser pour découper la matière (métal, bois …) grâce à la grande quantité d’énergie concentré sur une très faible surface. Ce procédé permet une découpe nette et rapide de nombreux matériaux jusqu’à 20mm

Découpe au Laser

Historique : La découpe laser à été utilisé dans l’industrie à partir de 1980.

Principe de fonctionnement : En général, le laser est pulsé (source de type YAG) ou continu (source Co2).

15

Découpe Laser avec les deux types de Laser

Laser Co2 Laser YAG

En France, la majorité des lasers utilisés sont des lasers à source Co2 qui permettent de découper plus de matériaux et à une vitesse plus élevée que les Laser pulsés. Les lasers utilisés couramment ont une puissance de 1500 Watts mais les sources peuvent varier de quelques Watt à plus de 4000 Watts selon les matériaux et l’épaisseur à découper

Découpe au Laser

16

Avantage du principe : Ce procédé permet une découpe rapide et précise du matériaux sans lui infligé d’effort ce qui permet une faible déformation de la pièces. Grâce à ce système, la réalisation de trous est, elle aussi, très facile même s’il existe une contrainte au niveau de son diamètre qui ne doit pas être inférieur à l’épaisseur de la tôle

Contrainte actuelle du principe : Certains matériaux, comme l’aluminium ou le cuivre, sont toutefois plus difficiles à découper au Laser à cause de leur fort pouvoir réfléchissant. Souvent, il est possible de graver (texte, etc. …) avec la même machine

2) Restauration des œuvres au Laser

Définition : Particulièrement favorisé en France où il a connu ses plus grand succès, Le laser de nettoyage de la pierre et la restauration des sculptures est un outil innovant, efficace, maniable, ergonomique, exempt de nuisance sonore, il permet aussi d’atteindre des zones inaccessibles par d’autres méthodes de restaurations.

Historique : C’est en 1987, qu’un des ingénieurs du Laboratoire de recherche des monuments historiques, basé à Champs sur marne, s’associait avec une société fabricante avec pour objectif de développer un laser de nettoyage de chantier, mobile, capable de nettoyer la pierre de manière satisfaisante et de travailler sur échafaudages, dans la poussière, le froid, le chaud et avec évidemment un maximum de fiabilité pour un coût raisonnable.

Quelques années furent encore nécessaires pour fabriquer un prototype NL00 opérationnel sur chantier.

Prototype laser Nd YAG pulsé déclenché NL 00 de la société BMI à l’essai à la

cathédrale de Rouen en 1993

17

Pris en main par les scientifiques de la conservation et par des restaurateurs confirmés, ce prototype traversa le pays des années 1992 à 1993 pour un tour de France avec des essais grandeur nature sur des sites différents où il fut mis à l’épreuve de différents matériaux et salissures

Le laser de nettoyage fut introduit dès 1992 dans un premier grand chantier à la cathédrale d’Amiens.

Aire de travail d’un chantier de nettoyage au Laser

Une première machine de chantier, compactée, fiable et mobile fut commercialisée sous le nom NL 101 par BMIndustrie Au final, la technique s’est avérée très performante et on Peut considérer qu’en France depuis 1995, elle a intégré la Panoplie du restaurateur de sculpture.

Essai de nettoyage Laser en cours sur un claveau sculpté

18

Principe de fonctionnement : Le laser de nettoyage est un laser solide qualifié de Q-switched Nd YAG ou en français de laser Nd YAG pulsé déclenché.

Sa source est un barreau minéral constitué d’un grenat alumineux enrichi en Yttrium. Cette matrice solide est dopée en ions Néodymium à plusieurs degrés de valence possible. Ce sont ces ions qui, excités par le rayonnement d’une Lampe Flash, vont passée d’un états stables à plusieurs niveau d’excitation et vont ainsi produire un ensemble d’ondes monochromatiques cohérentes en revenant cycliquement à des états plus stable.

Les ondes ainsi produites dans la chambres de pompage sont conservés et accumulés jusqu'à un seuil élevé puis libérés de la chambre sous la forme d’impulsions ou pulse très rapides de l’ordre de 6 à 15 nanosecondes. L’énergie libérés par chaque pulses est très élevée, de l’ordre d’une dizaine de Joules et la puissance délivrée atteint plusieurs centaine de milliers de Watts. Selon les machines, les laser est capable de libérer de 1 à 60 pulses par seconde permettant d’utiliser le laser comme un faisceau continu que l’on déplace sur la surface à nettoyer.

La matière que l’on cherche à éliminer au cours d’une opération de nettoyage est constituée d’un dépôt de micro particules diverse, caractéristiques des milieux industrielles ou urbains pollués. Ces salissures sont communément appelées croûtes noires à causes de leurs couleurs noirâtres.

Le nettoyage consiste à éliminer de la surface de la pierre ces salissures minérales en faisant interagir le rayon laser et la croûte noire. Lors du nettoyage, la rayonnement laser, onde infrarouge de forte énergie, est fortement absorbé par ces salissures superficielles de teinte sombre contrairement au support pierre, généralement clair, qui aura tendance à le réfléchir. Le processus de nettoyage correspond à une photo ablation résultant d’une combinaison d’interactions thermiques et mécaniques entre le rayonnement absorbé et la matière.

19

Nettoyage d’une sculpture au Laser

3) Autres utilisations dans le domaine industriel

Spectacle laser

Soudage laser : Machine et pièce souder

20

2. Utilisation pour les mesures

1) Mesure au Lidar Définition : Acronyme de Light Detection And Ranging, Le Lidar utilise un laser afin de sonder l’atmosphère et d’obtenir ainsi des mesures de différents types.

Un Lidar en action

Historique : Les premières mesures au Lidar ont été effectuées en 1969 dans la Sierra Nevada Principe de fonctionnement :

� Principe Général

Un lidar se compose d’un système laser chargé d’émettre l’onde lumineuse, d’un télescope qui récoltera l’onde radiodiffusée par les particules rencontrées (récepteur), et d’une chaîne de traitement qui quantifiera le signal reçu.

21

Principe de mesures au Lidar

� Principe de fonctionnement du Lidar dans le domaine de la météorologie

� Principe de fonctionnement

Un système de contrôle transmet un faisceau laser constitue d’une impulsion courte mais intense de lumière cohérente. Le faisceau est élargi pour éviter qu’il ne diverge et est ensuite dirigé dans l’atmosphère. A mesures qu’il se propage, il est dispersé par les molécules atmosphériques, en particulier par l’azote et les aérosols (gouttes d’eau et de glace, ozone, poussières, sel, etc.) La lumière réfléchie est captée par le miroir du télescope et collectée soit par un détecteur CCD ou une sonde optoélectronique. Le signal est ensuite filtré pour éliminer les signaux ne provenant pas du laser (lumières d’un avion …) et de tout signal parasites pouvant saturer les détecteurs. La quantité de lumières est enregistrée en fonction du temps. Les signaux subissent ensuite un traitement numérique et sont analysés puis stockés sur ordinateurs

Fonctionnement du Lidar pour étudier les constituants de l’atmosphère

22

� Autres utilisation du Lidar

Topographie au Lidar

Mesure de température

23

Mesure de distance Terre-Lune au Lidar

� Interprétations des résultats

Les résultats des études météorologiques faites au Lidar se présente sous la forme de série temporelle.

Représentation en séries temporelle d’observation Lidar

Les zones bleues représente un faible rétro diffusion contrairement aux zones rouges qui traduisent une forte rétrodiffusion et délimitent donc la présence d’un nuage

24

On peut donc grâce a cette image constater la présence d’un nuages « Cirrus » à 9km

2) Autres utilisations dans le domaine de la mesure

Metre laser

Radar Laser

3. Utilisation au quotidien

1) Lecteur et Cédérom

Définition : Permettant la sauvegarde de fichier de toute sorte (vidéo, musique, images …) Le disque compact repose sur un système de lecture optique utilisant la technologie laser

25

Historique

Principe de fonctionnement :

� Principe de Fonctionnement du CD :

� Composition d’un CD

Un CD se compose de 3 couches superposées :

- La couche principale qui est aussi la plus épaisse est en Polycarbonate, un plastique transparent et résistant. Ce plastique laisse passer la lumière émise par le laser nécessaire pour la lecture d’un CD.

- Une deuxième couche métallique réfléchissant, le plus souvent en aluminium, va réfléchir la lumière émise par le Laser.

- Enfin, on retrouve une ultime couche de vernis protecteur afin de protéger le métal de l’agression des Ultra Violet.

Les différentes couches du Cd-rom

� Principe de Lecture

Lors de la lecture d’un CD, le faisceau laser traverse la première couche de polycarbonate et rencontre ou non un creux. Le faisceau est ensuite réfléchi par la couche métallique. Le passage d’un creux à une bosse ou inversement

26

représente un « 1 » dans le langage binaire. Le reste représente un 0. La lumière du laser est alors fortement dévié (réfracter) de telle sorte que la dose de lumière renvoyée par la couche réfléchissante soit minime. Le lecteur comprend alors qu’il s’agit d’un « 1 ». La longueur du motif qui suit, qu’il soit « bosse » ou « creux », donne le nombre de 0 situé après. La succession de 0 et de 1 permet de lire le contenu du disque.

Réflexion du faisceau laser en fonction du relief

� CD gravable et principe d’inscription

Les CD R vierges possèdent une quatrième couches entre le polycarbonate et la couche métallique composée d’un colorant organique pouvant être brûlé par un laser ayant 10 fois plus de puissance que la puissance requise pour lire un CD. Cette couche de colorant est photosensible. Lorsqu’elle est soumise à une forte lumière, elle l’absorbe et sa température augmente à plus de 250°C, ce qu’il fait qu’elle brûle localement et recrée les plages brûlées et non brûlées. Les creux et bosses du CD classique sont ici remplacés par le passage d’une zone brûlée à une zone non brûlée, qui laisse passer plus de lumière

� Principe de Fonctionnement du Lecteur :

La tête de lecture est composée d’un laser émettant un faisceau lumineux et d’un cellule photoélectrique chargée de capter le rayon réfléchi par le CD. Une lentille situé à proximité du CD focalise le faisceau laser sur les « trous et bosses » du CD

27

Principe de Lecture d’un CD

2) Imprimante Laser

Définition : Permettant une reproduction de haute qualité de textes et de graphiques, les imprimantes laser produisent leurs images par balayages directs d’un faisceau laser sur le tambour interne de l’imprimante.

Une imprimante Laser

Historique : Les premiers prototypes d’imprimante laser à été crée par Xerox. La première imprimante laser commercialisée fut produit par IBM en 1976 (modèle 3800) et la première imprimante laser conçue pour être utilisée avec un ordinateur personnel est sortie en 1977

Principe de fonctionnement : Une impression laser peut être décomposée en 6 étapes :

28

A. Charge du tambour

Un rouleau de charge primaire projette une charge électrostatique sur un tambour en rotation

Le tambour d’une imprimante Laser

B. Ecriture

L’unité de pilotage de l’imprimante ou RIP (Raster Image Processor) convertit les données à imprimer en une images tramée pouvant être projetée sur le tambour. Le laser est dirigé sur un miroir mobile qui le renvoie via un système de lentilles et de miroirs, sur le tambour photosensible. L’utilisation de lasers (souvent de diodes lasers) est justifiée par le fait qu’ils génèrent un faisceau lumineux cohérent avec un haut degré de précision. A chaque fois que le laser frappe le tambour, la charge électrique locale est inversée, créant ainsi une image électrophotographique latente sur la surface du tambour.

Ecriture de l’image latente

29

C. Développement

La surface du tambour passe à travers le Toner, un bain de particules très fines de poudre de plastique mélangée avec de l’encre ou de la suie. Les particules chargées du toner sont électrostatiquement attirées par le tambour, aux endroits où le Laser a écrit l’image latente.

D. Transfert

Le tambour est pressé ou roulé sur le papier, transférant ainsi l’image sur le support d’impression.

E. Chauffage

Le papier passe ensuite par le coronaire. C’est un système de rouleaux chauffant (jusqu’à 200°C). Sous l’effet de la pression et de la température, la poudre plastique se fixe sur le papier.

F. Nettoyage

Lorsque l’impression est terminée, une lame en caoutchouc, électriquement neutre, enlève l’excès de toner sur le tambour et le dépose dans un réservoir. Enfin, une lampe à décharge permet d’éliminer les charges résiduelles du tambour.

Principe de fonctionnement d’une imprimante laser

30

Conclusion Inventée sans but précis dès les premières découvertes sur la quantification, ce processus scientifique a aujourd’hui prouvée son utilité dans différents domaines comme dans l’industrie, où il permet un meilleur rendement pour la soudure ou encore le découpage de matériaux. Le laser est aussi très utile dans la médecine, que nous n’avons pas pu abordée dans ce TPE. Le laser reste le fruit de nombreux inventeurs et de nombreux centre de recherche. Acteur principal des nouvelles technologies, on retrouve le laser dans notre vie quotidienne, aussi bien dans notre imprimante que dans notre lecteur de CD. Un bel avenir s’offre donc a l’invention de tous ces chercheurs : les nouvelles technologie ne cessant de progresser le Laser sera probablement d’avantages présent dans notre vie dans les années à venir. Quelles seront donc les prochaines découvertes sur cette invention ?

31

Bibliographie

Sites Internet utilisés :

� http://www.webcreation-industry.com/webnews-industry/fr/tech_laser.htm

� http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/photoco.shtml � http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/photoco.shtml � http://www.pixmania.lu/lu/fr/88983/art/canon/tambour-ep-87.html � http://www.assembleur-

pc.com/product_info.php?products_id=275&osCsid=fb0a9c787a8cefc463bfbd0247748a0d

� http://www.vulgarisation-informatique.com/cd-rom.php � http://www.geocities.com/SiliconValley/Software/1788/Fonctionn.htm � http://www.vulgarisation-informatique.com/cd-rom.php � http://www.rnicholls.com/catalog.php?lang=fr&view=product&id=1039 � http://www.stanleyworks.fr/Produits/Laser/Applications/Gros+Oeuvre/M

esure+laser+TLM+300.aspx � http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Lna_1a_532liNF_v02_20060124_PR2

_1440.png � http://www.aeromapss.com/lidar.htm � http://pcl.physics.uwo.ca/pclhtml/introlidar/pclTc.gif � http://www.aeromapss.com/lidar.htm � http://www.astrosurf.com/luxorion/meteo-nuages-images-lidar.htm � http://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar � http://www.astrosurf.com/luxorion/meteo-nuages-images-lidar.htm � http://www.alutranscanada.com/techno.htm � http://www.edu.linkoping.se/bit2a/laser/applications/spectacle/spectacle.

htm � http://www.lrmh.fr/lrmh/w_publications/laserpb.pdf � http://www.lrmh.fr/lrmh/w_publications/laserpb.pdf � http://www.lrmh.fr/lrmh/w_publications/laserpb.pdf � http://www.lrmh.fr/lrmh/w_publications/laserpb.pdf � http://www.ateca-fr.com/procedes_speciaux/laser.php � http://laser.agmat.asso.fr/technologie/decoupe.htm � http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser � http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/optique/laser01.shtml � http://perso.orange.fr/didier.hottois/laser/interact.htm � http://www.sciences.univ-

nantes.fr/physique/perso/blanquet/synophys/34opint/34opint.htm � http://indispensables.over-blog.com/article-3113016.html � http://www.futura-sciences.com

32

� http://www.industrie-technologies.com/ingenieurs/affichage.cfm?ID_m=1681092&cd=M&id=nom

� http://www.lesdebrouillards.qc.ca/applicationWeb/pages/publique/archives/index.php?Type_Items=0&ID=448

� http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n02a7.html#n5 � http://futura-sciences.com/comprendre/g/definition-laser-

solide_4620.php � http://dossier.univ-st-

etienne.fr/ltsi/www/slaser/PFfento/principe/Cestquoi2.htm Livres utilisés :

� Le Quid 2006 � Le Petit Robert des noms propres 2007 � Le nouveau Petit Robert des mots 2007 � Le livre mondial des inventions � Dossier du CRAM centre sécurité sociale : « Risque biologiques dus aux

lasers » � Dossier du CRAM centre sécurité sociale : « Les lasers » � Livre de Physique de Terminal S : collection Galileo � Livre de première SMS : Nathan