Cohérence ou concordance des phases d’un faisceau laser

En sciences naturelles, la cohérence ou radiation cohérente désigne les ondes électromagnétiques qui se propagent de manière fixe dans l'espace et le temps. Dans la vie quotidienne, cette définition théorique, quelque peu complexe, fait référence au faisceau de lumière généré par une source laser.

Terminologie

Pour expliquer la cohérence plus en détail, il faut d'abord examiner le faisceau laser. L’« amplification de la lumière par émission stimulée du rayonnement » est un terme collectif en physique. Le terme « laser » désigne à la fois l’effet physique, par exemple le faisceau laser et l’appareil correspondant (machine laser, source laser).

Les faisceaux laser

  • sont des ondes électromagnétiques
  • ont souvent une plage de fréquences très réduite (émetteur à bande étroite)
  • consistent en un faisceau de lumière très concentré
  • disposent d’une longueur de cohérence longue, selon le type de laser.

Dans la vie quotidienne, les lasers sont présents dans une multitude d’applications. Que ce soit dans un pointeur laser, souvent utilisé dans les présentations, dans les outils de lecture de supports optiques comme les Blu-rays et les CD. Le faisceau laser est indispensable dans le monde moderne. 

La concordance des phases

Le terme de cohérence, dérivé du latin, signifie globalement « connecté ». Le terme renvoie aux propriétés spécifiques des ondes électromagnétiques en physique. Ces ondes ont une relation de phase fixe entre deux trains d’ondes. Si cette relation de phase reste constante, il est possible de générer un modèle d’interférence stable. Avec une lumière cohérente, une distinction supplémentaire est faite entre les caractéristiques temporelles et spatiales. Les deux caractéristiques peuvent être illustrées avec un petit schéma. 

Cohérence temporelle

Si vous vous teniez à côté d'une onde électromagnétique composée de plusieurs trains d'ondes et la laissiez passer, les relations de phase de deux trains d'ondes ne changeraient pas. La direction de propagation de l’onde reste inchangée. 

Cohérence spatiale

S'il existait un cadre de référence pour la lumière et que vous vous placiez à l'intérieur de celui-ci (et que vous reliiez le cadre de référence à l'onde électromagnétique) et que vous regardiez perpendiculairement à l'onde, vous découvririez que les déphasages entre deux ondes ne changent pas.

La différence avec la lumière incohérente

Une source de lumière ordinaire, par exemple un plafonnier, émet de la lumière composée de différents trains d’ondes. Pour toutes les sources de lumière naturelle, les trains d’ondes émis ne sont pas cohérents. Cela s'explique par les sources de lumière réelles : les atomes. Si un seul train d’ondes est émis dans un processus d’émission de lumière, cela prend environ 0,0000000001 seconde. La longueur théorique de ce train d'ondes peut alors être calculée : 3 mètres. Revenons maintenant au niveau atomique et regardons un atome qui émet un train d'ondes. Nous nous tenons à côté du chemin parcouru par la lumière et nous regardons le premier train d'ondes qui nous passe devant. À un moment donné - cette période de temps n'est pas définie - l'atome émet le train d'ondes suivant. Ce train d'ondes a aussi des pics et des creux, qui sont en relation de phase bien établie mais complètement arbitraire avec le premier train d'ondes. Il en va de même pour tous les autres trains d'ondes émis. Pour cette raison, il n'y a pas de relation de phase fixe entre les différents trains d'ondes émis par un atome - il change de train d'ondes en train d'ondes. De plus, les sources de lumière ordinaires émettent de la lumière de différentes longueurs d'onde. Pour les trains d'ondes de différentes longueurs d'onde, la différence de phase change naturellement et la lumière ordinaire ne rayonne pas en parallèle, mais dans des directions différentes.

La lumière d'un laser dans le temps et dans l'espace

La lumière laser est composée d’ondes électromagnétiques cohérentes dans le temps et dans l'espace. Ici, une relation de phase fixe peut être observée à la fois dans la propagation et dans la direction perpendiculaire. Dans la lumière laser, les trains d'ondes individuels sont très longs, en même temps, les trains d'ondes adjacents oscillent dans un mode commun.

Propriétés de la lumière laser

Les machines laser émettent des faisceaux laser très concentrés. Ceux-ci convergent pour former une lumière droite et ne se dispersent pas. En revanche, il existe des sources de lumière conventionnelles qui émettent des ondes lumineuses qui se dispersent dans tous les sens. Avec un faisceau laser, toutes les ondes de lumière sont de la même couleur. C'est ce que l'on appelle le monochromatisme. Lors du cheminement des ondes de lumière dans un faisceau laser, l’oscillation est parfaitement synchrone.

Classification des lasers

Les faisceaux laser peuvent être dangereux pour l'homme en fonction de la lumière émise. Par conséquent, les machines laser sont réparties dans différentes classes de machine. Cette classification est réalisée par le fabricant respectif selon la norme NF-EN 60825-1.
La classe 1 désigne des lasers dont le rayonnement est entièrement sans danger. À partir de la classe 2, d’importants endommagements des yeux et de la rétine peuvent se produire si le faisceau laser est dirigé directement vers l'œil pendant plus de 0,25 seconde. Les lasers de la classe 3B sont extrêmement dangereux pour l'œil et peuvent même provoquer des blessures cutanées. Enfin, la classe 4  concerne des machines dont les lasers endommagent l'œil très rapidement et sont également dangereux pour la peau. Dans ce type de classe, même un rayonnement dispersé est dangereux et peut provoquer des incendies ou explosions.

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