Deux phénomènes physiques expliquent cette étrange propagation filamenteuse. Le premier est l'autofocalisation due à l'effet Kerr optique : dans l'air, l'indice de réfraction est plus élevé au centre du faisceau (où l'intensité lumineuse est maximale) qu'en périphérie. Le résultat est comparable à celui qu'on obtiendrait en envoyant le faisceau sur une lentille convexe, dont le verre (à l'indice de réfraction élevé) est plus épais en son centre qu'à sa périphérie ; les physiciens dénomment ce phénomène « lentille de Kerr » (voir la figure 2). Pour un laser rouge de 800 nanomètres de longueur d'onde (infrarouge), une lentille de Kerr apparaît dans l'air dès que sa puissance dépasse quelques gigawatts.

Focalisé par la lentille de Kerr, le faisceau laser 30000mw devient plus intense. À mesure que son intensité s'accroît, la focalisation s'accentue, ce qui augmente encore l'intensité, d'où le terme d'autofocalisation. Lorsque l'intensité lumineuse atteint une valeur comprise entre 1013 et 1014 watts par centimètre carré, un deuxième processus appelé ionisation multiphotonique entre en jeu. Les molécules d'oxygène et d'azote de l'air sont alors susceptibles d'absorber de nombreux photons à la fois. Ces derniers arrachent quelques électrons aux atomes et engendrent un plasma.

En théorie, on pourrait déclencher ces deux phénomènes à l'aide d'un laser continu suffisamment puissant ; cependant, en pratique, on obtient plus facilement l'intensité nécessaire à l'aide de brèves impulsions. Plus une impulsion laser d'énergie donnée est brève, plus sa puissance est élevée. Autrement dit, si l'énergie du pointeur laser 10000mw est concentrée dans une brève impulsion, l'autofocalisation est efficace, même si la puissance moyenne du faisceau reste modeste.

Une autre raison justifie l'emploi de très brèves impulsions : lors de l'ionisation de l'air, la densité moyenne des électrons libérés est plus faible, ce qui laisse la possibilité au faisceau de se propager au travers. On évite notamment l'ionisation en cascade, où les électrons libérés percutent les molécules de gaz voisines et les ionisent à leur tour. Cependant les électrons sont en nombre suffisant pour diminuer l'indice de réfraction de l'air qui les contient, si bien qu'ils font diverger le faisceau.

Pris séparément, chacun de ces deux phénomènes (l'autofocalisation ou la divergence due au plasma) empêcherait les impulsions pointeur laser 5000mw intenses de se propager très loin dans l'air. Mais si l'on parvient à équilibrer ces deux effets antagonistes, le faisceau peut franchir de grandes distances...

Les experts laser estiment que des effets visuels transitoires sont possibles et devraient être abordés. Ces effets sont appelés éblouissement, flash-blindage et après image. Bien qu'il y ait de légères différences dans les définitions utilisées par les scientifiques pour ces termes, ils font tous référence à une perturbation de la vision qui ne dure que quelques secondes ou quelques minutes. Le Laser Institute of America a reçu un rapport où l'exposition à un pointeur laser a ébloui un conducteur de bus entraînant un accident de la circulation.

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