Allumette
Pour les articles homonymes, voir Allumette (homonymie).
Matériaux |
Bois, Sesquisulfure de phosphore, carton, phosphore, chlorate de potassium, paraffine, colle de peau (d)
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Usage |
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Une allumette est une petite tige de bois (généralement du peuplier, parfois de saule), de carton ou de chiffon, destinée à créer une flamme par friction avec son extrémité enduite d'un produit chimique inflammable, après quoi elle n'est plus utilisable.
Le mot « allumette » date des environs de l'an 1200 pour désigner une petite bûche destinée à faire prendre le feu.
Les allumettes sont vendues généralement en nombre, conditionnées en boîtes ou en pochettes de carton.
Historique
Origines
Les allumettes datent de l'Antiquité1.
Il a été retrouvé, à Saintes, datés du IIe siècle, de petits bâtonnets de bois carbonisés à une extrémité2. On ne sait pas si ces « allumettes » ont simplement servi à transporter une flamme, à éclairer, ou si elles ont participé à la production de feu.
En revanche, en Chine est attesté dès le VIe siècle, l'existence de bâtonnets de pin imprégnés de soufre, qui auraient eu cet usage3.
Contrairement aux allumettes actuelles, ces allumettes au soufre ne peuvent s'enflammer que secondairement, au contact d'une braise préalablement obtenue par les moyens classiques (briquet d'acier, par exemple, déjà connu des Romains).
Au Moyen Âge, les allumettes étaient faites de roseau et fortement soufrées1.
Les premières allumettes, mentionnées dès 1530, différaient des allumettes modernes. Connues sous le nom de bûchettes, fidibus ou chénevottes, il s'agissait de petites tiges de bois, de roseau ou de chènevotte, de papier roulé ou de mèches de coton trempées dans la cire4. L'utilisation de ces allumettes soufrées à une ou deux extrémités est décrite au XVIIe siècle dans un poème de Saint-Amant (1594-1661) :
Souvent tout en sueur je m'esveille en parlant,
Je saute hors du lit, l'estomach pantelant,
Vay prendre mon fuzil, et d'une main tremblante
Heurtant contre le fer la pierre estincelante,
Après m'estre donné maint coup dessus les dois,
Après qu'entre les dents j'ay juré mille fois,
Une pointe de feu tombe et court dans la meiche,
R'avivant aussi-tost cette matiere seiche,
J'y porte l'allumette, et n'osant respirer
De crainte de l'odeur qui m'en fait retirer,
Au travers de ce feu puant, bleuastre et sombre,
J'entrevoy cheminer la figure d'une ombre…
— Saint-Amant, Œuvres complètes, nouvelle édition, 1855, p. 84
Ce passage décrit le problème d'arriver dans le noir complet au sortir d'un cauchemar, à battre le briquet (nommé fusil avant le XVIIIe siècle), allumer l'amadou, allumer l'allumette au soufre (qui brûle avec une flamme bleue) pour pouvoir enfin allumer une bougie.
Ce n'est qu'au début du XIXe siècle (de 1805 à 1831) que l'on verra pour la première fois une allumette produire une flamme en un seul temps, par réaction chimique ou par frottement. La boîte avec frottoir naît à cette époque, en 18301.
Progrès au XIXe siècle
L'allumette moderne a été inventée en 1805 par Jean-Joseph-Louis Chancel, assistant du professeur Louis Jacques Thénard à Paris6. Le mélange inflammable contenait du chlorate de potassium, du soufre, du sucre et du caoutchouc. Il s'enflammait lorsqu'il était plongé dans un petit flacon d'amiante rempli d'acide sulfurique concentré4. Cette sorte d'allumette, aussi onéreuse que dangereuse, ne rencontra pas un grand succès.
La première allumette inflammable par friction est l'invention du chimiste anglais John Walker le 7. Il reprit des travaux infructueux menés par Robert Boyle, en 1680, sur l'utilisation du phosphore et du soufre. Walker mit au point un mélange de sulfure d'antimoine (III), de chlorate de potassium, gomme et d'amidon, qui pouvait s'enflammer en frottant sur une surface rugueuse composée d'une pâte à base de phosphore amorphe et de peroxyde de manganèse8. Les premières allumettes, brevetées par Samuel Jones, furent commercialisées sous le nom de lucifers. Elles présentaient d'importants défauts, la flamme étant instable et la réaction trop violente. De plus, l'odeur qu'elles produisaient était désagréable.
Le Hongrois János Irinyi (en) (1817-1895) invente l'allumette moderne non explosive en 1836, substituant le dioxyde de plomb au chlorate de potasse, évitant ainsi les explosions violentes9,10.
En 1831, le Français Charles Sauria ajouta du phosphore blanc afin d'atténuer l'odeur. Ces nouvelles allumettes, qui devaient être conservées dans une boîte hermétique, gagnèrent en popularité. L'Allemand Jakob Friedrich Kammerer fut à l'origine de leur production industrielle en 1832. Malheureusement, ceux qui travaillaient à leur fabrication furent atteints par des maladies osseuses, en particulier au niveau des mâchoires11, liées à l'exposition au phosphore blanc. Après une campagne dénonçant ces pratiquesn 1, qui menaient à des infirmités graves, défigurantes et parfois mortelles, une convention internationale sur l'interdiction de l'emploi du phosphore blanc (jaune) dans l'industrie des allumettes, signée à Berne le , et suivie d'actions législatives, contraignit l'industrie à changer de méthode et à protéger les ouvriers.
C'est en Autriche, en 1833 que s'établit la première fabrique d'allumettes chimiques à base de phosphore. Elles étaient tellement inflammables que le cahot des voitures de transport suffisait à les faire prendre[réf. nécessaire]. Aussi dans la plupart des États allemands se décida-t-on à en interdire l'usage jusqu'en 1840, époque où Preshel inventa sa fameuse[réf. souhaitée] pâte composée de gomme épaisse de chlorure de potasse, de phosphore et de bleu de Prusse. Plus tard, ce chimiste remplaça même le chlorate par l'oxyde pur (peroxyde de plomb, qui ne fait pas d'explosion).
Allumette de sûreté
L'allumette de sûreté, encore appelée « allumette suédoise » en raison de la nationalité suédoise de son inventeur Gustaf Erik Pasch, date de 1844. La « sûreté » provient du fait qu'elle nécessite un grattoir spécial, dont les éléments chimiques interagissent avec ceux de l'extrémité de l'allumette pour s'enflammer. Le grattoir est composé de poudre de verre et de phosphore rouge, tandis que l'extrémité de l'allumette est enduite de sulfure d’antimoine, de dioxyde de manganèse et de chlorate de potassium. La chaleur engendrée par le frottement transforme le phosphore rouge en phosphore blanc, qui à son tour contribue à l'inflammation de l'allumette. Une société américaine développa un procédé similaire et le breveta en 1910.
Monopole d'État en France pendant 120 ans
En France, la taxe sur les allumettes mise en place par une loi de 1871, qui devait améliorer les finances publiques nationales éprouvées par la guerre franco-prussienne de 1870, s'étant avérée d'un rendement trop faible, la fabrication et l'importation des allumettes ont été déclarées monopole de l'État par la loi du 12,13,14.
D'un tissu artisanal, le secteur est donc rapidement passé à une organisation industrielle unitaire, le monopole étant affermé à la Société Générale des Allumettes Chimiques. En 1935, il est pris en charge par le Service d'exploitation industrielle des tabacs et des allumettes, qui devient en 1980 une société anonyme, la SEITA, privatisée en 1995, aujourd'hui fusionnée dans Altadis.
Le monopole fut aménagé par la loi no 72-1069 du , autorisant l'importation d'allumettes en provenance d’États membres de la Communauté européenne15. Après plusieurs recommandations de la Commission européenne entre 196916 et 198717,18,19, le monopole de fabrication et d'importation fut levé en 1995, à l'occasion de la privatisation de la SEITA20.
Marché parallèle
Parallèlement à ce monopole se met en place, notamment en milieu rural, un marché illégal relevant de la contrebande. Ces allumettes de contrebande restaient fabriquées à base de phosphore, sable, colle et chlorate de manière très artisanale21,22.
Allumettes contemporaines
Allumettes-tempête
Les allumettes-tempête peuvent être enflammées au dehors, même par très grand vent. Elles sont très appréciées des marins et des campeurs mais aussi des pisteurs secouristes. La tête inflammable, très reconnaissable, est beaucoup plus volumineuse que celle des allumettes classiques. Elles sont également très résistantes à l'humidité23.
Allumettes traitées contre l'humidité
Ces allumettes sont moins chères que les précédentes ; elles sont conçues pour résister à l'humidité, mais elles ne s'allument pas en plein vent.
Allumettes en boîtes étanches
Des boîtes étanches à vis permettent de conserver les allumettes au sec par tout temps et même en immersion. On peut les garnir d'allumettes spéciales ou ordinaires.
Allumettes par pays
Belgique
Union Match est une compagnie allumettière belge.
Italie
Les allumettes de cire (fiammiferi cerini) sont de minuscules allumettes de papier de cellulose pure paraffinée, ayant un aspect de mini-cierge de cire. Très populaires, peu encombrantes et résistant bien à l'humidité, elles demandent une certaine dextérité pour être allumées sans se plier : il faut les pincer entre les deux ongles du pouce et de l'index, très près de la partie inflammable. Les boîtes sont en carton décoré à glissière, avec un rabat empêchant la chute accidentelle des allumettes et parfois même un élastique permettant la fermeture automatique du tiroir24.
Collection
La collection des boîtes d'allumettes porte le nom de philuménie. Elle est pratiquée de longue date par d'infatigables chercheurs, évoqués par Anatole France, Le Crime de Sylvestre Bonnard, membre de l'Institut25.
La plus ancienne boîte d'allumettes française connue, « Pyrogènes », très joliment ornée, est conservée à la Bibliothèque nationale1.
Références culturelles
Littérature
- La Petite Fille aux allumettes, conte de Hans Christian Andersen écrit en 1845.
- Les Allumettes suédoises, roman de Robert Sabatier publié en 1969.
Cinéma
- La Fille aux allumettes, film finlandais de 1990 réalisé par Aki Kaurismäki.
Musique
- Stone et Charden : Le prix des allumettes
- The Beatles : I'm Looking Through You; le batteur Ringo Starr utilise un paquet d'allumettes comme instrument de percussion sur cette chanson26.
Mathématiques
Géométrie
Les figures géométriques constructibles avec des allumettes sont exactement celles qui sont constructibles à la règle et au compas27.
Théorie des graphes
Les allumettes ont donné le nom d'un type particulier de graphe : le graphe allumette défini comme étant à la fois un graphe distance-unité et planaire. En effet un tel graphe peut être représenté physiquement au moyen d'allumettes de même longueurs ne se croisant pas.
Art en allumettes
Œuvres en deux dimensions
Œuvres où seule compte une face principale.
Sculptures et maquettes
Jeux
Il est possible de créer de nombreuses énigmes et casse-têtes à l'aide d'allumettes28.
Architecture
Les maisons allumettes sont construites en bois avec des façades étroites, en hauteur, avec un toit très pentu à deux versants et alignées les unes à la suite des autres. Ceci leur donne l'apparence d'allumettes cordées dans leur boîte29. George Papillon, un employé de la compagnie E. B. Eddy (en), était chargé de vendre à bas prix ou même de donner le bois qui servirait à bâtir ces maisons afin de récompenser les ouvriers de l'usine ou d'en attirer de nouveaux, d'où le nom d'origine « maisons en bois Papillon »30. Érigées à la fin des années 1800, on les retrouve dans les quartiers plus anciens de la ville de Gatineau au Québec, Canada. Plusieurs de ces maisons ont été détruites lors du grand feu de 1900 et certaines reconstruites29.
Notes et références
Notes
- « La fabrication des allumettes chimiques date de 1833, époque où l’on a trouvé le moyen de fixer le phosphore sur le bois. Depuis 1845, elle s’est rapidement développée en Angleterre, où des quartiers les plus populeux de Londres elle s’est ensuite répandue à Manchester, Birmingham, Liverpool, Bristol, Norwich, Newcastle, Glasgow, accompagnée partout de cette maladie des mâchoires qu’un médecin de Vienne déclarait déjà en 1845 être spéciale aux faiseurs d’allumettes chimiques. La moitié des travailleurs sont des enfants au‑dessous de 13 ans et des adolescents au‑dessous de 18. Cette industrie est tellement insalubre et répugnante, et par cela même tellement décriée, qu’il n’y a que la partie la plus misérable de la classe ouvrière qui lui fournisse des enfants, « des enfants déguenillés, à moitié morts de faim et corrompus. » Parmi les témoins que le commissaire White entendit (1863), il y en avait deux cent soixante‑dix au‑dessous de 18 ans, quarante au-dessous de 10, douze de 8 ans et cinq de 6 ans seulement. La journée de travail varie entre douze, quatorze et quinze heures ; on travaille la nuit ; les repas irréguliers se prennent la plupart du temps dans le local de la fabrique empoisonné par le phosphore. — Dante trouverait les tortures de son enfer dépassées par celles de ces manufactures. » Karl Marx, Le Capital I [archive]
Références
- Pierre Germa, Depuis quand ? : le dictionnaire des inventions, p. 19
- Nima Saedlou, Monique Dupéron, Utilisation de résineux dans l’artisanat du bois en Gaule romaine [archive]
- Les petites amies de la pipe : les Allumettes [archive]
- Jacques Collina-Girard, Le feu avant les allumettes, Éditions de la Maison des sciences de l’homme, , p. 11.
- La libraire de thermographie, allumette [archive]
- Sur Jean Joseph Louis Chancel, inventeur des allumettes ou briquets oxygénés [archive]
- Franck Ferrand, « 27 novembre 1826, invention des allumettes » [archive], sur europe1.fr, (consulté le ).
- Collina-Girard, op. cit., p. 12
- Source [archive]
- (en) Richard Evelyn Threlfall, The Story of 100 Years of Phosphorus Making, 1851-1951, Albright & Wilson, , p. 362.
- Lire ici, p. 4 : A. Chevalier, Mémoire sur les allumettes chimiques préparées avec le phosphore ordinaire [archive], BNF Gallica
- https://www.economie.gouv.fr/files/files/directions_services/caef/Documents/Expositions_virtuelles/monopoles/2-1.html [archive]
- Smith, Paul, « L’ancienne manufacture d’allumettes d’Aubervilliers », In Situ. Revue des patrimoines, Ministère de la culture et de la communication, direction générale des patrimoines, no 26, (ISSN 1630-7305, lire en ligne [archive], consulté le ).
- http://www.didiermorandi.fr/L2/Loi_2_aout_1872_allumettes.pdf [archive]
- Contributions indirectes et monopoles fiscaux [archive], Stéphane Lavigne, Que sais-je?, PUF 1991.
- « 70/120/CEE: Recommandation de la Commission, du 22 décembre 1969, à la République française au sujet de l'aménagement du monopole national à caractère commercial des allumettes » [archive], sur EUR-Lex
- Historique de Flamup, branche allumette de la SEITA [archive]
- Histoire de l'allumette (site perso) [archive]
- « 87/389/CEE: Recommandation de la Commission du 3 juillet 1987 » [archive], sur EUR-Lex
- Code général des impôts article 576 [archive]
- Barbizier : almanach populaire comtois, 1948
- La saga du Haut-Gué : Champlitte Montsaugeon - Jean-Christophe Demard, René Nuffer - Paris : ERTI Éditeur, 1987 (ISBN 2-903-524-14-9)
- (it) Site du fabricant italien Technomatch [archive]
- (it) Site du fabricant italien Technomatch [archive]
- Lire ici, p. 312 : Anatole France, Le Crime de Sylvestre Bonnard, membre de l'Institut [archive], BNF Gallica
- (en) Dave Rybaczewski, « I'm Looking Through You » [archive], sur Beatles Music History, DKR Products Toledo, Ohio. (consulté le )
- (en) T. R. Dawson, « 'Match-Stick' Geometry », The Mathematical Gazette, vol. 23, no 254, (lire en ligne [archive]).
- Pierre Berloquin, « Jouez avec : les allumettes », Jeux et Stratégie, no 3, , p. 27-32
- https://www.reseaupatrimoine.ca/cyberexpositions/les-tresors-du-patrimoine/hull-et-les-allumettes/maisons-allumettes-ou-maison-papillon/ [archive]
- « Des « maisons de bois Papillon » aux maisons allumettes », Le Droit, (lire en ligne [archive], consulté le ).
Annexes
Bibliographie
- Pascal Fontaine, Les allumettes et l'éclairage par les corps gras. Étude faite d'après le cours de chimie industrielle d'Anselme Payen (1859). Chaire d'Histoire des Techniques et des Sciences. Conservatoire des Arts et Métiers, Paris, 2007, 19 pages.
Articles connexes
- Briquet
- Techniques de production de feu
- Marchand d'allumettes
- L'Allumette suédoise : une nouvelle d'Anton Tchekhov.
Liens externes
- (en) Histoire des allumettes [archive]
Briquet
Usage |
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Un briquet est une petite pièce d’acier dont on se servait pour créer par percussion avec un silex une étincelle, et par extension moderne un dispositif pyrotechnique autonome, destiné à produire une flamme ou une étincelle suffisamment puissante pour déclencher l'embrasement d'un combustible. Le carburant utilisé est stocké au sein d'un réservoir, et le comburant est le dioxygène présent dans l'air. Le briquet est souvent destiné à être transportable facilement et dans ce cas sa taille lui permet généralement d'être tenu dans une main.
Le briquet à silex en acier
Une méthode très ancienne pour faire du feu, encore utilisée de nos jours, est d'utiliser un briquet en métal, frappé contre un éclat de silex à bords tranchants. Le briquet à silex est forgé dans un acier à haute teneur en carbone. Par percussion sur un silex, la pièce d'acier produit des étincelles qui créent des braises qui communiquent leur chaleur à un initiateur (amadou, mèche de coton trempée dans une solution de jaune de plomb ou de salpêtre ou du coton carbonisé) qui est en mesure alors, de déclencher la combustion. Ce même principe était utilisé jadis, par les premiers fusils et pistolets.
Ces briquets prennent plusieurs formes : briquet rotatif, horloge-briquet, pistolet-briquet1.
Briquets modernes
Briquets électriques à résistance chauffante
Briquet imaginé en 1874 par Gaston Planté : « briquet de Saturne » il est constitué d'une pile fournissant un courant électrique qui fait rougir un fil de platine1.
Briquets à arc électrique
Les briquets à arc électrique sont constitués d'une pile fournissant un courant électrique qui alimente un transformateur délivrant du courant électrique de haute tension à deux électrodes en laiton produisant un arc électrique en continu.
Briquets chimiques
Vers 1820 apparaît le « briquet Fumade », du nom de ses inventeurs2, qui contenait de l'acide sulfurique dans lequel on plongeait une allumette chimique :
« Gavroche replongea dans l'obscurité. Les enfants entendirent le reniflement de l'allumette enfoncée dans la bouteille phosphorique. L'allumette chimique n'existait pas encore ; le briquet Fumade représentait à cette époque le progrès. Une clarté subite leur fit cligner les yeux ; Gavroche venait d'allumer un de ces bouts de ficelle trempés dans la résine qu'on appelle rats de cave. Le rat de cave, qui fumait plus qu'il n'éclairait, rendait confusément visible le dedans de l'éléphant. »
— Victor Hugo, Les Misérables (1862)
Briquets à amadou
Historiquement, le « briquet » est une pièce métallique avec laquelle on percute un silex pour produire des étincelles et rendre incandescent un morceau séché d'amadou, matière spongieuse tirée du champignon appelé Amadouvier.
À partir des années 1840, l'amadou est remplacé par une mèche de coton saturée de jaune de plomb. On le nomme cependant encore « briquet à amadou » par tradition. Vers 1900, l'invention du ferrocérium par le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach permet d'allumer cette mèche plus facilement, par l'étincelle d'une molette en acier en contact avec cette pierre à briquet. Sans combustible associé, la mèche devient simplement incandescente et ne produit pas de flamme. La molette d'acier est juxtaposée à la mèche par un dispositif qui permet, en tirant sur celle-ci, d'étouffer la braise après usage3.
Pour produire directement une flamme, sans passer par l'étape de combustion lente, il faut attendre la généralisation du briquet à essence au cours de la première moitié du XXe siècle4.
Briquets à essence, briquets des tranchées
Les briquets à essence sont répandus et conviennent à tous types d'usage. Ils ont été démocratisés, entre autres, grâce aux soldats de la Première Guerre mondiale5,6,7.
Ce sera le « briquet de tranchées » ou « briquet des poilus », bien utile durant la guerre de positions, puisque l'allumette à friction (inventée en 1827) aurait été difficile à conserver dans les tranchées humides et révélerait la présence des soldats. Ce briquet fait partie de l'artisanat de tranchée car il est facile à fabriquer en associant les éléments précédents du briquet à amadou à un petit réservoir métallique, destiné à contenir un distillat léger du pétrole dont on imbibe la mèche de coton. Il est également commercialisé et peut prendre des formes très variées4.
Les briquets à essence présentent une large autonomie et sont rechargeables. Le combustible imbibe une mèche par capillarité. Un ressort presse une pierre à briquet contre la molette. En actionnant la molette avec le pouce, on produit une gerbe d'étincelles qui allume les vapeurs du combustible. La flamme, de grande taille, résulte d'une combustion incomplète : elle est jaune-orangé, et produit des vapeurs noirâtres.
En 1936, aux États-Unis, un brevet est déposé pour un briquet à essence dérivé du briquet tempête : le Zippo qui connaît un succès durable. Il est rectangulaire, doté d'une grille pour protéger la flamme et d'un capuchon relié au réservoir par une charnière. À défaut d'essence à briquet, il était possible d'utiliser ponctuellement d'autres produits inflammables (Essence F, Alcool à brûler, kérosène...) avec le risque d'endommager le dispositif d'allumage ou d'avoir une combustion inadaptée ou malodorante.
Briquets à gaz
Le briquet à gaz est une invention française (de Henry Pingeot, grand-père d'Anne Pingeot8). C'est Marcel Quercia, directeur de la firme Flaminaire (Bic, Flamagas) qui lance les premiers modèles, un de table et un autre de poche nommés respectivement le Gentry et le Crillon en 1948.
Les briquets à gaz sont les plus courants : produits en quantité industrielle dès les années 1960, notamment par le fabricant Cricket et plus tard BiC, ils consistent pour la plupart à provoquer l'ignition d'un gaz inflammable, souvent du butane, de la même manière que pour les briquets à essence décrits plus haut. Ces briquets classiques, bon marché, entrent en concurrence avec les deux autres types de briquets à gaz.
Briquets automatiques
Les automatiques provoquent la production d'une étincelle via un dispositif électronique, généralement piézoélectrique. Une simple pression sur un bouton poussoir suffit à relâcher le gaz combustible et à provoquer une étincelle.
Briquets tempête
Les briquets tempêtes tirent leur nom de l'invention de marins, pour qui les vents et les éléments, lorsqu'ils sont en mer, empêchent l'ignition du gaz combustible du fait de sa dispersion. Contrairement à l'opinion populaire, le butane contenu dans les briquets tempêtes n'est pas à une pression très élevée. Les briquets à l'épreuve du vent font un meilleur mélange du combustible avec l'air, et parfois, font passer le mélange air-butane à travers un catalyseur, ce qui provoque une combustion complète du carburant, avec une flamme bleutée. La chaleur ainsi dégagée peut avoisiner les 1 200 °C à 1 500 °C. La flamme initialement bleue peut être teinte en rouge ou en vert en vaporisant sur son passage un filament de métal (par exemple, du cuivre pour obtenir une flamme verte).
Briquets pneumatiques
Ils sont composés d'un cylindre et d'un piston dont l'extrémité inférieure est une logette qui permet d’accueillir un initiateur. Le piston est muni d'un joint graissé (caoutchouc, cuir, filasse) pour assurer l'étanchéité lors du déplacement du piston dans le cylindre. Lorsqu'on appuie fortement et rapidement sur le piston, l'air enfermé dans le cylindre est comprimé et sa température augmente (compression adiabatique). Cet échauffement est suffisant pour atteindre la température d'auto-inflammation dans l'air de substances telles que le tissu carbonisé ou l'amadou. Un briquet pneumatique permet d'obtenir une braise en un seul geste vif. Il faut ensuite retirer rapidement le piston afin de permettre à l'initiateur embrasé de se consumer dans l'air et d'allumer un autre combustible. C'est cela qui a inspiré Rudolf Diesel pour son moteur.
Briquets solaires
Le briquet solaire fonctionne par concentration de la lumière du soleil sur un point précis, il nécessite l'utilisation d'un miroir concave ou d'une lentille. Il existe des briquets solaires depuis fort longtemps, on trouve un brevet pour un appareil dit briquet solaire en 18789 et un autre brevet pour un briquet solaire en 188510.
Différents briquets solaires en plastiques ont été mis sur le marché à partir de 197011,12. Actuellement le briquet solaire se décline sur la base d'un miroir parabolique en aluminium à l'intérieur d'une coque, celui-ci présente un intérêt indéniable, absence totale de mécanisme, combustible, mèche, pierre, etc., et un inconvénient majeur, le briquet solaire ne peut pas fonctionner par temps couvert12 et la nuit.
Législation
Au Portugal, l'usage et la simple détention de briquets a nécessité une licence de 1937 à 197013. Cette licence avait été instaurée, sous la dictature d'Antonio Salazar, par le décret-loi no 28:219 du 14, afin de soutenir les fabricants locaux d'allumettes[réf. souhaitée]. Les contrevenants s'exposaient à une amende de 250 escudos (la somme était doublée pour les fonctionnaires et les militaires). La licence ne fut supprimée que par le décret-loi no 237/70 du 15[réf. souhaitée].
Notes et références
- G. Angerville, Les Briquets, La Science illustrée, no 816, juillet 1903
- Maurice Bouvet, « Les pharmaciens et la découverte des allumettes et briquets », Revue d'Histoire de la Pharmacie, no 140, , p. 223-233 (lire en ligne [archive])
- Futura, « De l'amadou pour produire le feu » [archive], sur Futura (consulté le )
- « La production du feu - Bertrand Roussel - Hominidés » [archive], sur www.hominides.com (consulté le )
- Autour du tabac de Pierre Faveton, aux éditions Ch. Massin page 88.
- la folie des briquets de Juan Manuel Clarck aux éditions Flammarion.
- La légende du briquet de Ad et Alice Van Weert aux éditions du collectionneur.
- Arnaud Vernet, « Bien avant la révélation du secret de François Mitterrand, une famille très connue des Clermontois » [archive], sur La Montagne (consulté le )
- Bulletin des lois de la République franç̜aise, Volume 19 (publié en 1880) - brevet no 124590
- (fr) « Bulletin des lois de la République franç̜aise, Volume 34 (publié en 1887) » [archive], sur gallica.bnf.fr
- (fr) « Musée de Paléontologie humaine de Terra Amata » [archive], sur www.musee-terra-amata.org
- (fr) « C'est la saison du briquet solaire in Libération du 1er juillet 2004 » [archive], sur www.liberation.fr
- (pt) « Já naqueles tempos os cigarros “queimavam” » [archive]
- (pt) Decreto-lei no 28:219, de 24 de novembro 1937 [archive] [html], sur dre.pt, Diário da República (consulté le )
(pt) Texte intégral [archive] [fac-similé], paru dans le Diário do Governo, 1re série, no 274 du , p. 1315-1316 (consulté le ).
- (pt) Decreto-lei no 237/70, de 25 de maio 1970 [archive] [html], sur dre.pt, Diário da República (consulté le )
(pt) Texte intégral [archive] [fac-similé], paru dans le Diário do Governo, 1re série, no 122 du , p. 694-697 (consulté le ).
Voir aussi
Articles connexes
- Briquet Döbereiner
- Allumoir
- Techniques de production de feu
- Allumette
- Carl Auer von Welsbach
- Allume-cigare
- Portail des technologies
Laser
Un laser (acronyme issu de l'anglais light amplification by stimulated emission of radiation qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de radiation ») est un système photonique. Il s'agit d'un appareil qui produit un rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent reposant sur le processus d'émission stimulée. La lumière du laser est aussi appelée lumière cohérente. Descendant du maser1, le laser s'est d'abord appelé « maser optique ».
Une source laser associe un amplificateur optique à une cavité optique, encore appelée résonateur, généralement constituée de deux miroirs, dont un au moins est partiellement réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extrêmement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent que le rayonnement émis soit d'une grande pureté spectrale, c’est-à-dire temporellement cohérent. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des longueurs d'onde définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'émission spontanée au sein de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde.
Au XXIe siècle, le laser est plus généralement vu comme une source possible pour tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière. Les longueurs d'onde concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent même à s'appliquer aux rayons X.
Histoire
Le principe de l’émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein2. En 1950, Alfred Kastler (lauréat du prix Nobel de physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qu'il valide expérimentalement, deux ans plus tard, avec Brossel et Winter. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier maser (au gaz ammoniac) est conçu par J. P. Gordon, H. J. Zeiger et Ch. H. Townes. Au cours des années suivantes, de nombreux scientifiques tels N. G. Bassov, Alexandre Prokhorov, Arthur Leonard Schawlow et Charles H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'onde du visible. Townes, Bassov et Prokhorov partagent le prix Nobel de physique en 1964 pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui mènent à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs exploitant le principe du maser-laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis3. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide.
Les lasers trouvent très tôt des débouchés industriels. La première application fut réalisée en 1965 et consistait à usiner un perçage de 4,7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant avec un laser à rubis. Cette opération était réalisée en 15 min, alors qu’une application classique prenait 24 heures4.
En 1963 des chercheurs américains tels que White et Anderholm montrent qu’il est possible de générer une onde de choc à l’intérieur d'un métal à la suite d'une irradiation laser impulsionnelle. Les pressions exercées sont de l’ordre de 1 GPa.
En 1967, Peter Holcroft découpe une plaque d’acier inoxydable de 2,5 mm d'épaisseur à une vitesse de 1 m/min, sous dioxygène avec un laser CO2 de 300 W5 et conçoit la première tête de découpe.
Bien que les procédés soient démontrés, il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu’ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 1970. Et les premières plates-formes industrielles sont implantées en France dès les années 19806. Dès lors le laser s'impose comme un outil de production industrielle dans le micro-usinage. Ses principaux avantages sont un usinage à grande vitesse de l'ordre de 10 m/min, sans contact, sans usure d'outil.
Le laser devient un moyen de lecture en 1974, avec l'introduction des lecteurs de codes barres. En 1978, les laserdiscs sont introduits, mais les disques optiques ne deviennent d'usage courant qu'en 1982 avec le disque compact. Le laser permet alors de lire un grand volume de données.
Principe de fonctionnement
Phénomènes mis en jeu (qualitatif)
Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l'on considère l'image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.
Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n {\displaystyle n} , pouvant prendre les valeurs 1 {\displaystyle 1} , 2 {\displaystyle 2} ... L'état n = 1 {\displaystyle n=1} est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau.
Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée.
- L’absorption — Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n {\displaystyle n} à un état n ′ > n {\displaystyle n'>n} , en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement ω {\displaystyle \omega } doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par ℏ ω n n ′ = ( E n ′ − E n ) {\displaystyle \hbar \omega _{nn'}=(E_{n'}-E_{n})} , où E n ′ > E n {\displaystyle E_{n'}>E_{n}} sont les énergies des états n ′ {\displaystyle n'} et n {\displaystyle n} . On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ℏ ω = h ν {\displaystyle \hbar \omega =h\nu } ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie E n {\displaystyle E_{n}} vers le niveau d'énergie E n ′ {\displaystyle E_{n'}} . La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.
- L’émission stimulée — Un atome dans l'état n ′ {\displaystyle n'} peut se « désexciter » vers le niveau n {\displaystyle n} sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est possible que si la fréquence du rayonnement ω {\displaystyle \omega } est proche de la fréquence de Bohr ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie ℏ ω {\displaystyle \hbar \omega } qui vient s'« ajouter » au rayonnement.
- L’émission spontanée — Ce processus est le symétrique de l'absorption : un atome dans un état excité n ′ {\displaystyle n'} peut se désexciter vers un état n {\displaystyle n} , même en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire avec une phase aléatoire, et sa fréquence est égale à la fréquence de Bohr ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie ℏ ω n n ′ {\displaystyle \hbar \omega _{nn'}} dans une direction aléatoire.
Inversion de population (qualitatif)
Considérons un ensemble d'atomes à deux niveaux. Si on envoie un champ sur un ensemble d'atomes dans l'état « haut », le phénomène privilégié sera l'émission stimulée et le champ sera amplifié. Pour réaliser un amplificateur optique, il faut donc trouver le moyen d'exciter les atomes vers l'état d'énergie supérieure. De façon plus générale, si certains atomes sont dans l'état fondamental « bas », des photons peuvent être également absorbés, ce qui diminue l'intensité du champ. Il n'y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état « haut » (susceptible d'émettre) que dans l'état « bas » (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une « inversion de population ».
Cependant, à l'équilibre thermodynamique, l'état le plus bas est toujours le plus peuplé. Au mieux, les populations oscillent entre les deux niveaux (Oscillations de Rabi). Pour maintenir une inversion de population, il est nécessaire de fournir constamment un apport d'énergie extérieure aux atomes, pour ramener dans l'état supérieur ceux qui sont repassés dans l'état fondamental après l'émission stimulée : c'est le « pompage ». Les sources d'énergie extérieures peuvent être de différents types, par exemple un générateur électrique, ou un autre laser (pompage optique). L'amplificateur est donc un ensemble d'atomes ou molécules que l'on fait passer d'un état fondamental ou faiblement excité n {\displaystyle n} à un état plus fortement excité n ′ {\displaystyle n'} , au moyen d'une source d'énergie extérieure (pompage). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n {\displaystyle n} , en émettant des photons de fréquence proche de ω n n ′ {\displaystyle \omega _{nn'}} . Ainsi un rayonnement de fréquence ω ≃ ω n n ′ {\displaystyle \omega \simeq \omega _{nn'}} passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d'émission stimulée.
Physique de l'effet laser : interaction lumière/matière
Pour obtenir les équations détaillées de l'effet Laser puis de la cavité Laser elle-même, il est nécessaire de faire appel de manière plus quantitative à la physique quantique. Il existe alors deux degrés de quantification dans l'interaction lumière (faisceau laser)/matière (atomes de la cavité), qui chacun, permettent de mieux comprendre la physique de l'effet laser :
- modèle semi-classique : quantification des atomes mais champ électromagnétique classique pour la lumière ;
- modèle complètement quantique : quantification des atomes et de la lumière (seconde quantification).
Interaction semi-classique : compréhension générale de l'effet laser
Le modèle semi-classique permet à lui-seul de comprendre d'où vient l'effet Laser et d'obtenir les "équations de taux" qui régissent les populations d'atomes au sein de la cavité Laser.
Interaction atome quantifié/champ classique
Les atomes étant quantifiés, le formalisme de la mécanique hamiltonienne est nécessaire. Dans l'approximation d'un système à deux niveaux d'énergie pour les atomes, l'effet du champ électrique extérieur (la lumière, considérée comme monochromatique de pulsation ω {\displaystyle \omega } ) consiste en des Oscillations de Rabi des atomes entre ces deux niveaux.
Ces oscillations engendrées par la lumière sont la conséquence directe de la compétition entre l'émission stimulée et le phénomène d'absorption décrits plus haut, et sont décrites par la probabilité pour un atome présent en r 0 {\displaystyle \mathbf {r} _{0}} de passer de E 1 {\displaystyle E_{1}} au temps t 0 {\displaystyle t_{0}} à E 2 {\displaystyle E_{2}} au temps t :
P 1 → 2 ( t 0 , t ) = Ω 1 2 Ω 1 2 + δ 2 sin 2 [ Ω 2 ( t − t 0 ) ] {\displaystyle P_{1\rightarrow 2}(t_{0},t)={\dfrac {\Omega _{1}^{2}}{\Omega _{1}^{2}+\delta ^{2}}}\sin ^{2}\left[{\dfrac {\Omega }{2}}(t-t_{0})\right]} où Ω 1 2 = 2 ( d ℏ ) 2 I ( r 0 ) {\displaystyle \Omega _{1}^{2}=2\left({\dfrac {d}{\hbar }}\right)^{2}I(\mathbf {r} _{0})} , avec I, l'intensité du champ électrique incident et d, la valeur du dipôle atomique ;
et δ = ω − ω 0 {\displaystyle \delta =\omega -\omega _{0}} avec ℏ ω 0 = E b − E a {\displaystyle \hbar \omega _{0}=E_{b}-E_{a}}
Ainsi, ce modèle semi-classique ne permet pas d'obtenir l'inversion de population nécessaire à l'effet laser : ces oscillations sinusoïdales montrent que le système "ne choisit pas" entre l'émission stimulée et l'absorption.
Si l'on veut expliquer l'effet laser tout en gardant ce modèle semi-classique, il faut donc introduire de manière ad hoc l'émission spontanée qui ne peut être expliquée sans seconde quantification.
Compréhension du phénomène d'absorption (modèle de Lamb)
Inversion de population
Dans le cas d'un modèle de transition entre 2 niveaux bas et haut, notés respectivement N 1 {\displaystyle N_{1}} et N 2 {\displaystyle N_{2}} , la population de l'état haut doit être supérieure à la population de l'état bas pour qu'il y ait émission : N 1 ≤ N 2 {\displaystyle N_{1}\leq N_{2}} .
L'évolution de la population de l'état haut est donnée par une loi de décroissance exponentielle : N 2 ( t ) = N 2 , initial × e − A t {\displaystyle N_{2}(t)=N_{2,{\text{ initial}}}\times e^{-At}} 7.
Interaction totalement quantique (seconde quantification) : subtilités de l'effet laser
Fonctionnement de la cavité laser
Pour un matériau donné, la différence de population entre l'état haut et l'état bas Δ N = N 2 − N 1 {\displaystyle \Delta N=N_{2}-N_{1}} donne le caractère du milieu vis-à-vis du pompage optique : si Δ N > 0 {\displaystyle \Delta N>0} le milieu est amplificateur, si Δ N < 0 {\displaystyle \Delta N<0} le milieu est absorbant et dans le cas Δ N = 0 {\displaystyle \Delta N=0} le milieu est transparent. Un laser ne lase que dans le cas où le milieu est amplificateur.
Principe général
Un laser est donc, fondamentalement, un amplificateur de lumière dont la sortie est réinjectée à l'entrée. Son alimentation en énergie est la source du pompage, la sortie est le rayonnement laser qui est réinjecté à l'entrée par les miroirs de la cavité résonnante, le mécanisme de l'amplification étant l'émission stimulée.
On peut comparer ce processus à l'effet Larsen, qui se produit lorsqu'un amplificateur (la chaîne hifi) voit sa sortie (le haut-parleur) « branchée » sur l'entrée (le micro). Le moindre bruit capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, ré-amplifié jusqu'à la saturation du système (quand celui-ci fournit l'énergie maximum possible par sa conception). Dans un laser, cette énergie maximale est limitée par la puissance de la source de pompage, et par le nombre d'atomes qui peuvent être simultanément excités.
Dans l'effet Larsen, la fréquence du son produit dépend du spectre des fréquences amplifiées correctement par l'amplificateur et du temps que met le son pour parcourir la boucle sonore (qui n'est pas une valeur unique étant donné que le local induit diverses réflexions et des trajets sonores de longueur différente). Dans un laser, il se passe la même chose si ce n’est que le spectre de l'amplificateur n'est pas une plage la plus plate possible mais est restreint aux bandes de fréquences correspondant aux niveaux d'excitation des différents atomes présents, et la boucle correspond à la longueur de la cavité résonante.
Stabilité d'une cavité laser : conditions sur le gain
Le gain d'un laser à N {\displaystyle N} miroirs notés M 1 , M 2 , . . . , M N {\displaystyle M_{1},M_{2},...,M_{N}} de coefficients de réflexion respectifs R 1 , R 2 , . . . , R N {\displaystyle R_{1},R_{2},...,R_{N}} contenant un matériau amplificateur pompé de gain G {\displaystyle G} est donné par l'évolution de l'intensité dans la cavité itération après itération. Si à un instant t 0 {\displaystyle t_{0}} l'intensité dans la cavité vaut I 0 {\displaystyle I_{0}} alors après un tour de cavité l'intensité vaut I 1 = I 0 × G × ∏ j = 1 n R j {\displaystyle I_{1}=I_{0}\times G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}} 8
On peut alors distinguer 3 cas selon la valeur de G × ∏ j = 1 n R j {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}} :
- Si G × ∏ j = 1 n R j < 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}<1} alors l'intensité diminue à chaque tour de cavité laser et il n'y a pas d'émission laser
- Si G × ∏ j = 1 n R j = 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}=1} alors l'intensité reste stable et l'oscillation est entretenue
- Si G × ∏ j = 1 n R j > 1 {\displaystyle G\times \prod _{j=1}^{n}R_{j}>1} alors l'intensité augmente jusqu'à atteindre une valeur de saturation.
Stabilité d'une cavité laser : conditions sur le front d'onde
Une cavité laser est considérée stable si le front d'onde peut se propager sans déformation9. Dans le cas d'une cavité laser à 2 miroirs, les conditions de stabilité d'un laser sont liées à la distance L {\displaystyle L} entre les miroirs de la cavité par rapport aux rayons de courbure des 2 miroirs. Pour 2 miroirs de rayons de courbure respectifs R c 1 {\displaystyle R_{c1}} et R c 2 {\displaystyle R_{c2}} avec R c 1 ≤ R c 2 {\displaystyle R_{c1}\leq R_{c2}} , pour un faisceau gaussien :
- La cavité est stable si 0 ≤ L ≤ R c 1 {\displaystyle 0\leq L\leq R_{c1}} ou bien R c 2 ≤ L ≤ R c 1 + R c 2 {\displaystyle R_{c2}\leq L\leq R_{c1}+R_{c2}}
- La cavité est instable si R c 1 < L < R c 2 {\displaystyle R_{c1}<L<R_{c2}} ou bien L > R c 1 + R c 2 {\displaystyle L>R_{c1}+R_{c2}}
Équations de taux
Les équations de taux (Rate equations en anglais) désignent des équations de conservation de population des états haut et bas respectivement. Elles établissent que la variation de la population d'un état correspond à la différence entre la quantité d'atomes qui rejoint cet état et la quantité d'atomes qui changent d'état.
Dans le cas particulier d'un système à 2 niveaux, pour les deux états haut et bas ( N 2 {\displaystyle N_{2}} et N 1 {\displaystyle N_{1}} ), en considérant un terme d'émission spontanée de probabilité A {\displaystyle A} , et un terme de pompe de probabilité σ p I p {\displaystyle \sigma _{p}I_{p}} où σ p {\displaystyle \sigma _{p}} désigne la section illuminée par le flux de pompe et I p {\displaystyle I_{p}} désigne l'intensité du flux de pompe, alors :
d N 1 d t ( t ) = σ p I p N 2 ( t ) + A N 2 ( t ) − σ p I p N 1 ( t ) {\displaystyle {\frac {dN_{1}}{dt}}(t)=\sigma _{p}I_{p}N_{2}(t)+AN_{2}(t)-\sigma _{p}I_{p}N_{1}(t)}
et d N 2 d t ( t ) = − d N 1 d t ( t ) {\displaystyle {\frac {dN_{2}}{dt}}(t)=-{\frac {dN_{1}}{dt}}(t)} 10
Laser en régime stationnaire (laser continu)
Dynamique des lasers (laser en impulsion)
Description statistique du laser
Types de laser
On classe les lasers selon six familles, en fonction de la nature du milieu excité. Par ailleurs, les lasers peuvent être aussi bien continus que fonctionner dans un régime impulsionnel, auquel cas on pourra les qualifier également selon la durée caractéristique de leurs impulsions (lasers continus / lasers picosecondes / lasers femtosecondes).
Cristallins (à solide, ou ioniques)
Ces lasers utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et doit être dopé par un ion qui est le milieu laser. Le plus ancien est le laser à rubis dont l'émission provient de l'ion Cr3+. D'autres ions sont très utilisés (la plupart des terres rares : Nd, Yb, Pr, Er, Tm…, le titane et le chrome, entre autres). La longueur d'onde d'émission du laser dépend essentiellement de l'ion dopant, mais la matrice influe aussi. Ainsi, le verre dopé au néodyme n'émet pas à la même longueur d'onde (1 053 nm) que le YAG dopé au néodyme (1 064 nm). Ils fonctionnent en continu ou de manière impulsionnelle (impulsions de quelques microsecondes à quelques femtosecondes—millionième de milliardième de seconde). Ils sont capables d'émettre aussi bien dans le visible, le proche infrarouge que l'ultraviolet.
Le milieu amplificateur peut être un barreau dans le cas d'un laser Nd-YAG (donc dopé au Nd et la matrice est du YAG : un grenat d'aluminium et d'yttrium), mais il peut aussi se présenter sous la forme d'une fibre dans le cas des lasers à fibre (donc dopé au Yb et la matrice est en silice). Aujourd'hui, le milieu amplificateur le plus utilisé pour générer des impulsions femtosecondes est le saphir dopé titane. Il possède deux bandes d'absorption centrées à 488 et 560 nm. Il possède un large spectre d'émission centré à 800 nm.
Au-delà d'une dimension de cristal de qualité optique acceptable[Quoi ?], ces lasers permettent d'obtenir des puissances de l'ordre du kW en continu et du GW en pulsé. Ils sont utilisés pour des applications tant scientifiques qu'industrielles, en particulier pour la soudure, le marquage et la découpe de matériaux.
À fibre
Ce type de laser ressemble au laser solide. Ici le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions de terres rares. La longueur d'onde obtenue dépend de l'ion choisi (Samarium 0,6 µm ; Ytterbium 1,05 µm ; Erbium 1,55 µm ; Thulium 1,94 µm ; Holmium 2,1 µm11). Cette technologie est relativement récente (le premier date de 1964), mais il existe aujourd'hui des lasers monomodes dont la puissance est de l'ordre de la dizaine de kilowatts. Ces lasers ont l'avantage de coûter moins cher, de posséder un encombrement réduit et d'être résistants aux vibrations. Par ailleurs il n'est pas nécessaire de les refroidir en dessous de 10 kW12,13.
À colorants (moléculaires)
Dans les lasers à liquide, le milieu d'émission est un colorant organique (rhodamine 6G par exemple) en solution liquide enfermé dans une fiole de verre. Le rayonnement émis peut aussi bien être continu que discontinu suivant le mode de pompage. Les fréquences émises peuvent être réglées à l'aide d'un prisme régulateur, ce qui rend ce type d'appareil très précis. Le choix du colorant détermine essentiellement la gamme de couleur du rayon qu'il émettra. La couleur (longueur d'onde) exacte peut être réglée par des filtres optiques.
À gaz (atomiques ou moléculaires)
Le milieu générateur de photons est un gaz contenu dans un tube en verre ou en quartz. Le faisceau émis est particulièrement étroit et la fréquence d'émission est très peu étendue. Les exemples les plus connus sont les lasers à hélium-néon (rouge à 632,8 nm), utilisés dans les systèmes d'alignement (travaux publics, laboratoires), et les lasers pour spectacles.
Les lasers à dioxyde de carbone sont capables de produire de très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 106 W. C'est le marquage laser le plus utilisé dans le monde. Le laser CO2 (infrarouge à 10,6 µm) peut être, par exemple, utilisé pour la gravure ou la découpe de matériaux.
Il existe aussi une sous-famille des lasers à gaz : les lasers excimers qui émettent dans l'ultraviolet. Dans la majorité des cas, ils sont composés d'au moins un gaz noble et habituellement d'un gaz halogène.
Le terme « excimer » vient de l'anglais excited dimer qui signifie une molécule excitée composée de deux atomes identiques (ex. : Xe2). Or certains lasers dits excimères utilisent des exciplexes qui sont des molécules composées de deux atomes différents (par exemple, gaz noble et halogène : ArF, XeCl). On devrait donc les nommer lasers exciplexes plutôt que lasers excimères.
L'excitation électrique du mélange produit ces molécules exciplexes qui n’existent qu'à l'état excité. Après émission du photon, l'exciplexe disparaît car ses atomes se séparent, donc le photon ne peut être réabsorbé par l'excimer non excité, ce qui permet un bon rendement au laser.
Exemple : Lasik
Enfin, la source de rayonnement des lasers dits « chimiques » est une réaction, le plus souvent exothermique, émettant un rayonnement électromagnétique.
Exemple : COIL, Laser Miracl
Diode laser
Dans une diode laser (ou laser à semi-conducteur), le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous (un trou est une zone du cristal avec une charge positive car il manque un électron) d'un côté et en électrons supplémentaires de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Souvent, ce type de laser ne présente pas de miroirs de cavité : le simple fait de cliver le semi-conducteur, de fort indice optique, permet d'obtenir un coefficient de réflexion suffisant pour déclencher l'effet laser.
C'est ce type de laser qui représente l'immense majorité (en nombre et en chiffre d'affaires) des lasers utilisés dans l'industrie. En effet, ses avantages sont nombreux : tout d'abord, il permet un couplage direct entre l'énergie électrique et la lumière, d'où les applications en télécommunications (à l'entrée des réseaux de fibres optiques). De plus, cette conversion d'énergie se fait avec un bon rendement (de l'ordre de 30 à 40 %). Ces lasers sont peu coûteux, très compacts (la zone active est micrométrique, voire moins, et l'ensemble du dispositif a une taille de l'ordre du millimètre). On sait maintenant fabriquer de tels lasers pour obtenir de la lumière sur quasiment tout le domaine visible, mais les lasers délivrant du rouge ou du proche infrarouge restent les plus utilisés et les moins coûteux14. Leurs domaines d'applications sont innombrables : lecteurs optiques (CD), télécommunications, imprimantes, dispositifs de « pompage » pour de plus gros lasers (de type lasers à solide), pointeurs, etc. Noter que la réglementation en vigueur en France interdit d'en fabriquer éclairant au-delà de 1 000 mètres.
Ils ont quelques inconvénients tout de même, la lumière émise étant en général moins directionnelle et moins « pure » spectralement que celle d'autres types de lasers (à gaz en particulier) ; ce n'est pas un problème dans la majorité des applications.
Un dispositif très proche dans son fonctionnement, mais qui n'est pas un laser, est la DEL : le dispositif de pompage est le même, mais la production de lumière n'est pas stimulée, elle est produite par désexcitation spontanée, de sorte que la lumière produite ne présente pas les propriétés de cohérence caractéristiques du laser.
À électrons libres (LEL)
Ce type de laser est très particulier, car son principe est tout à fait différent de celui exposé plus haut. La lumière n'y est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un rayonnement synchrotron produit par des électrons accélérés. Un faisceau d'électrons, provenant d'un accélérateur à électrons, est envoyé dans un onduleur créant un champ magnétique périodique (grâce à un assemblage d'aimants permanents). Cet onduleur est placé entre deux miroirs, comme dans le schéma d'un laser conventionnel : le rayonnement synchrotron est amplifié et devient cohérent, c’est-à-dire qu'il acquiert les caractéristiques de la lumière produite dans les lasers.
Il suffit de régler la vitesse des électrons pour fournir une lumière de fréquence ajustée très finement sur une très large gamme, allant de l'infrarouge lointain (térahertz) aux rayons X, et la puissance laser peut être également ajustée par le débit d'électrons jusqu'à des niveaux élevés. On peut également disposer d'impulsions laser d'intervalle court et précis. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche. Il est cependant plus coûteux à produire car il est nécessaire de construire un accélérateur de particules.
Téramobile
Le laser téramobile est un dispositif mobile qui délivre des impulsions laser ultrapuissantes et ultrabrèves. Le laser téramobile peut servir à détecter et mesurer des polluants atmosphériques ou à frayer à la foudre un chemin rectiligne15.
Sécurité
Selon la puissance et la longueur d'onde d'émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine. Pour des questions de sécurité, la législation française interdit l'utilisation de lasers de classe supérieure à 2 en dehors d'une liste d'usages spécifiques autorisés16,17.
La nouvelle norme :
- Classe 1 : lasers sans danger, à condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables prévisibles (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD).
- Classe 1M : lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instruments optiques, peut être dangereuse.
- Classe 1C : appareil à laser destiné à être appliqué en contact avec la cible prévue, les protections empêchant la fuite d'un rayonnement. Le laser inclus dans l'appareil peut cependant être de classe supérieure. La cible peut être la peau humaine (exemple : épilateur laser).
- Classe 2 : lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. La protection de l’œil est normalement assurée par les réflexes de défense comprenant le réflexe palpébral, clignement de la paupière (par exemple, des lecteurs de code-barres).
- Classe 2M : lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700 nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à l’aide d’instruments optiques, peut être dangereuse (exemples : loupes et télescopes).
- Classe 3R : lasers dont l’exposition directe dépasse l’EMP (Exposition Maximale Permise) pour l’œil, mais dont le niveau d’émission est limité à cinq fois la LEA (Limite d’Émission Accessible) des classes 1 et 2. L'exposition peut être dangereuse pour une exposition oculaire dans la condition la plus défavorable.
- Classe 3B : laser dont la vision directe du faisceau est toujours dangereuse. La vision de réflexions diffuses est normalement sans danger.
- Classe 4 : lasers qui sont aussi capables de produire des réflexions diffuses dangereuses. Ils peuvent causer des dommages sur la peau et peuvent également constituer un danger d’incendie. Leur utilisation requiert des précautions extrêmes.
Les classes ont été déterminées en fonction des lésions que peut provoquer un laser, elles varient en fonction de la fréquence du laser. Les lasers infrarouge (IR B et IR C) et ultraviolet (UV) provoquent des lésions de la cornée, du cristallin ou des lésions superficielles de la peau, tandis que les lasers visible et proche infrarouge (IR A) peuvent atteindre la rétine et l'hypoderme.
Dans le domaine visible, pour un laser continu, les classes sont :
- Classe 1 : jusqu'à 0,39 mW.
- Classe 2 : de 0,39 mW à 1 mW.
- Classe 3R : de 1 à 5 mW.
- Classe 3B : de 5 à 500 mW.
- Classe 4 : au-delà de 500 mW.
Applications
Les applications lasers utilisent les propriétés de cohérence spatiale et temporelle du laser. Elles peuvent être classées plus ou moins en fonction de la réflexion ou de l'absorption du laser. Ainsi, deux grandes familles apparaissent, celle contenant des applications de transfert d'information, et celle traitant d'un transfert de puissance.
Transfert d'information
- Holographie
- Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc…)
- Électrophotographie (ou « xérographie »), procédé des imprimantes laser
- Télécommunications via réseaux de fibres optiques
- Transmission inter-satellitaire
- Désignateur laser de cibles lors d'attaques par des munitions guidées
Métrologie
- Télédétection
- Collimation d'instrument optique (exemple : télescope newton)
- Granulométrie et vélocimétrie
- Mesure de distance (télémétrie par interférométrie)
- Vibrométrie
- Étude de l'atmosphère (Lidar)
- Métrologie des fréquences optiques
- Caractérisation des matériaux par ellipsométrie ou spectroscopie
- Visualisation d’écoulements (tomographie laser)
Transfert de puissance
- Refroidissement d'atomes par laser
- Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset (CtP)
- Centrale solaire orbitale
- Transmission d'énergie sans fil
Procédés laser et matériaux
- Fusion superficielle de matériaux
- Soudure de matériau homogène ou hétérogène
- Découpe
- Perçage par percussion mécanique
- Fabrication additive
- Décapage de surface
- Durcissement de surface
- Choc par ablation laser (test d'adhérence à l'interface de matériaux hétérogènes…)
- Dopage laser des semi-conducteurs18
Interaction laser/matière : phénomènes physiques
Applications médicales
- Ophtalmologie
- Dermatologie : épilation laser, détatouage laser, ...
- Dentisterie : laser dentaire Erbium, laser dentaire YAP
- Physiothérapie (débridement)
- Trépanation
- traitement de certains types de douleurs avec un laser basse énergie : l'efficacité semble probante mais le mécanisme d'action reste inconnu19.
- Urologie : traitement de l'hypertrophie bénigne de la prostate, destruction de calculs urinaires, destruction de tumeurs urothéliales, destruction de condylomes
Nucléaire
- Fusion nucléaire contrôlée laser Mégajoule
Applications militaires
- Armes anti-satellite, anti-missile, incapacitantes, déminage... (Boeing YAL-1 ; IDS dit Programme StarWars)
- Pod de désignation laser
- Aide à la visée
Applications policières
- Utilisation pour la détection d'empreintes latentes dans le domaine de la criminalistique20,21
- Cinémomètre laser portable et autonome qui permet de détecter la vitesse des véhicules sur une voie ouverte à la circulation publique22
Artistique
- Spectacle « son et lumière »
- Harpe laser
- Projection d'image sur écran dans les salles de cinéma numérique
Notes et références
- Afin de comprendre pourquoi les masers sont les précurseurs des lasers on peut consulter la page Laser et maser [archive], par Marie-Christine Artru, de l'ENS Lyon.
- Cagnac et Chareyron, 2017, Histoire et principe de fonctionnement du MASER et du LASER [archive]
- T. H. Maiman, Nature, 187, 493 (1960)
- (en) J. Wilson et J. F. B. Hawkes, Laser principles and Application, International Series in Optoelectronics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 194.
- (en) P. A. Hilton (2002), In the Beginning…, Intnl Congrs on Appl on Application of Lasers and Electro-Optics (ICALEO’2002), Scottdales, USA
- B. Vannes, Les lasers de puissance, Hermes.
- (en)Engineering Physics sur Google Livres
- (en)Optical Resonators: Fundamentals, Advanced Concepts, Applications sur Google Livres
- (en)Laser Fundamentals sur Google Livres
- (en)Lasers: Fundamentals and Applications sur Google Livres
- (en) S.D. Jackson et al., High-power broadly tunable Ho3+ -doped silica fibre laser, Electronics Letters, 40(1), 2004, 1474-1475
- Étude et réalisation de lasers à fibre auto-impulsionnels à base d'absorbants saturables, Jean-Bernard Lecourt, thèse pour obtenir le grade de docteur de l'université de Rouen (lire en ligne [archive])
- (en) Exemple d'un laser à fibre de 50 kW [archive], sur le site ipgphotonics.com
- « Marché de la diode laser » [archive], Hanel Photonics (consulté le )
- « Téramobile » lance ses éclairs [archive], sur le site cnrs.fr
- Décret no 2007-665 du 2 mai 2007 relatif à la sécurité des appareils à laser sortant [archive], sur le site legifrance.gouv.fr
- Sécurité des appareils à laser sortant : la nouvelle réglementation à partir du [archive], sur le site economie.gouv.fr du
- (en) « Laser doping for microelectronics and microtechnology », Applied Surface Science, , p. 537-544
- (en) Chow RT, Johnson MI, Lopes-Martins RAB, Bjordal JM, Efficacy of low-level laser therapy in the management of neck pain: a systematic review and meta-analysis of randomised placebo or active-treatment controlled trials [archive], Lancet, 2009:378;1897-1908
- (en) Dalrymple BE, Duff JM, Menzel ER. Inherent fingerprint luminescence – detection by laser. Journal of Forensic Sciences, 22(1), 1977, 106-115
- (en) Dalrymple BE. Visible and infrared luminescence in documents : excitation by laser. Journal of Forensic Sciences, 28(3), 1983, 692-696
- Cinémomètre laser portable et autonome [archive], sur le site sncb.org
Annexes
Sigles de 2 caractères Sigles de 3 caractères Sigles de 4 caractères ► Sigles de 5 caractères Sigles de 6 caractères Sigles de 7 caractères Sigles de 8 caractères Bibliographie
- Nicolas Treps, Fabien Bretenaker, Le laser : 50 ans de découvertes, EDP Sciences, 2010.
Liens externes
-
Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes
- Ressources relatives à la santé
- :
- (en) Medical Subject Headings [archive]
- (cs + sk) WikiSkripta [archive]
- Ressource relative aux beaux-arts
- :
- (en) Grove Art Online [archive]
- Animation, applications et recherches liées au laser et à la physique quantique [archive] (Université Paris Sud)
- Vulgarisations sur les lasers [archive]
- Les 50 ans du Laser au CNRS [archive]
Articles connexes
- LIDAR «light detection and ranging»
- Physique
- Optique
- Laser à atomes
- Liste des différents types de laser
- Oscillations de Rabi
- Réseau de Bragg
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- Soudage laser