L'effet laser est fondé sur l'émission stimulée, décrite pour la première fois, sur des bases théoriques, par Albert Einstein en 1917.

Les principes.

L'émission d'un photon par un atome ou une molécule est due à la désexcitation du système, qui passe d'un état excité d'énergie E₂ à un état d'énergie inférieure E₁. L'émission stimulée est provoquée par un photon d'énergie E₂− E₁, énergie absorbée par le système et réémise par désexcitation. Les atomes, molécules ou ions ainsi excités (phase dite de pompage) émettent des photons d'énergie et de longueur d'onde identiques. Ce rayonnement est amplifié par une cavité résonante, constituée de deux miroirs parallèles entre eux et perpendiculaires au rayonnement. L'un des miroirs, partiellement transparent, permet la sortie du rayonnement laser. La cohérence spatiale (les photons ont une direction et une longueur d'onde identiques) et temporelle (ils sont émis en phase) de ce rayonnement permet d'obtenir des faisceaux de très faible divergence qui, focalisés, donnent une grande concentration d'énergie par unité de surface.

Les principaux types de laser.

Les lasers sont classés en cinq grandes familles, selon la nature du milieu excité : lasers à solide, lasers à gaz, lasers à semi-conducteurs, lasers à liquide et lasers à électrons libres.

Le premier laser à solide, réalisé en 1960, est un laser à rubis. Essentiellement constitué d'un barreau de rubis artificiel entouré d'une lampe flash de forme hélicoïdale, il émet une lumière rouge. Pour l'émission dans l'infrarouge, on utilise les lasers à verre au néodyme ou les lasers YAG (Yttrium Aluminium Garnet [grenat d'yttrium et d'aluminium]) ; fonctionnant de façon discontinue, ils génèrent des émissions lumineuses très brèves et de forte puissance, intéressantes notamment pour les recherches sur la fusion nucléaire.

Les lasers à gaz, comme les lasers hélium-néon, sont constitués d'un mélange de gaz, l'un d'eux transférant, par collisions, son excitation à l'autre. Dans les lasers à semi-conducteurs, utilisés notamment dans les lecteurs de CD ou de DVD, l'effet laser est obtenu à partir de semi-conducteurs montés en diode à jonction.

Dans les lasers à liquide, le milieu excité est généralement un colorant inorganique, contenu dans un récipient en verre. La fréquence du rayonnement laser peut être ajustée au moyen d'un prisme placé dans le récipient, ce qui rend l'appareil d'une grande précision spectrale. Enfin, les lasers à électrons libres (LEL) utilisent un faisceau d'électrons de haute énergie comme milieu amplificateur, contrairement aux lasers « conventionnels » qui utilisent des atomes ou des molécules excités. Ce type de laser, extrêmement coûteux, est principalement utilisé en recherche fondamentale.

Les applications générales.

Le laser est un outil précieux dans la recherche scientifique, mais également dans l'industrie, la médecine, les technologies civiles et militaires, ainsi que dans la vie quotidienne. Comme les rayons laser permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface, ils sont utilisés dans l'industrie pour percer les matières les plus dures (comme le diamant), graver les puces à semi-conducteurs, lire et graver les informations sur les disques compacts (CD et DVD), etc. On utilise aussi des lasers pour la métrologie de précision et en géodésie (les satellites utilisent des altimètres laser pour déterminer l'altitude du relief survolé ou la hauteur des vagues sur la mer).

Dans la construction et les travaux publics, les rayons laser servent à vérifier l'alignement des structures. De même, ils sont largement utilisés dans les laboratoires industriels de contrôle de qualité et sur les chaînes d'emballage pour détecter les éventuels défauts de fabrication des produits. Ils se révèlent également d'excellents détecteurs de molécules gazeuses et sont ainsi utilisés pour l'étude de l'atmosphère et de ses polluants.

Les applications militaires.

Le laser est utilisé pour mesurer les distances (télémètre laser) ou les vitesses de rotation (gyromètre laser), pour le guidage des missiles et l'acquisition de cibles. Des programmes de recherche mettant en œuvre des lasers extrêmement puissants sont en développement en France (Laser Mégajoule ou LMJ) et aux États-Unis (National Ignition Facility ou NIF), en vue d'effectuer des simulations d'essais thermonucléaires.

Les applications médicales.

Les lasers sont devenus des outils très courants en médecine. On emploie, suivant les disciplines, le laser à l'argon (photocoagulation), le laser au dioxyde de carbone (bistouri laser) ou le laser YAG (dont le rayonnement est absorbé par tous les tissus). Leurs principales indications sont en ORL, en dermatologie et en gynécologie. Le laser à l'argon, ou laser excimer, qui décompose les cellules sans les brûler, est utilisé dans le traitement de nombreuses affections oculaires. Il permet de prévenir ou de traiter le décollement de rétine, de sculpter la cornée de façon très précise, etc.