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Aspects physiques du laser

 Quelques notions de base

 

Un laser (acronyme de l'anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » est un appareil qui produit une lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l'effet laser. Celui-ci a pour principe fondamental l’émission stimulée (ou émission induite) décrite en 1917 par Albert Einstein. En 1960, le physicien américain Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Javan mettait au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Sorokin construisait le premier laser à liquide. Einstein montre que l’émission d’un photon lorsqu’un atome se désexcite peut être induite, stimulée, par un photon de même énergie. Dans ce processus appelé « émission stimulée », le photon émis possède les mêmes caractéristiques que le photon « stimulant » : même énergie, même direction d’émission, même phase, mais avec une énergie double du fait de l’amplification de lumière par émission stimulée de radiation (figure 1).

 

 

Le phénomène d'absorption. Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (photon hν = la lumière), un atome peut passer d'un état n à un état n' > n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. L'atome passe de son état fondamental E1 vers l'état excité E2.

 

Le phénomène d'émission stimulée. Un atome dans l'état n' peut se « désexciter » vers le niveau n sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie qui vient s'ajouter au rayonnement. La désexcitation de l'atome est stimulée par l'arrivée du photon incident. Le photon émis vient s'ajouter au champ incident : il y a amplification.

Figure 1. Les phénomènes d’absorption et d’émission stimulée expliquant l’effet laser (l’émission spontanée, troisième mécanisme d’interaction qui engendre l’émission d’un photon à direction et phase aléatoire n’est pas abordée dans ce schéma).

 

Pour avoir un effet laser, il est nécessaire qu’il y ait davantage d’atomes dans l’état excité que dans l’état fondamental : il faut donc provoquer une « inversion de population » et donc sortir de l’état d’équilibre thermodynamique. Un tel déséquilibre est réalisé à partir de méthodes dites de «pompage» qui apportent sans cesse de l’énergie et intensifient la population d’atomes dans l’état excité. On augmente ainsi le taux d’émissions stimulées par « amplification résonante » en utilisant une cavité constituée de deux miroirs parallèles. Dans cette cavité résonante qui constitue un oscillateur optique, on obtient une amplification favorisant l’émission stimulée dans la direction de propagation de la lumière grâce à l’un des miroirs semi-réfléchissants qui permet au faisceau de sortir du dispositif.

Un laser se définit donc par trois éléments fondamentaux :

- Un milieu amplificateur optique de différents types (matériau gazeux, solide ou liquide). Dans ce milieu, on trouve des atomes, molécules, ions ou électrons dont les niveaux d'énergie sont utilisés pour accroître la puissance d'une onde lumineuse au cours de sa propagation. Le principe physique mis en jeu est l'émission stimulée.

- Un système d'excitation du milieu amplificateur (aussi appelé système de pompage) : il permet de créer les conditions d'une amplification lumineuse en apportant l'énergie nécessaire au milieu. Le système de pompage peut être de différente nature : pompage optique (le soleil, lampes flash, lampes à arc continues ou lampes à filament de tungstène, diodes laser ou autres lasers ...), électrique (décharges dans des tubes de gaz, courant électrique dans des semi-conducteurs ...) ou même chimique.

- La cavité qui permet de recycler les photons et d’obtenir par effet en cascade une amplification de la lumière déjà existante. La cavité la plus simple est constituée de deux miroirs, dont l’un est partiellement réfléchissant. Ce résonateur optique qui est un oscillateur laser permet donc de confiner l'onde à l'intérieur de la cavité, puis d'augmenter son parcours dans le milieu amplificateur, de façon à obtenir une amplification considérable. L'oscillateur laser peut être schématisé par la figure 2 avec ses éléments fondamentaux : le milieu amplificateur excitable, le système de pompage, et les miroirs formant la cavité, dont le miroir de sortie. Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser inventé en 1954 par Townes), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent même à s'appliquer aux rayons X [[5],[6]].

 

  

Figure 2. Principe de fonctionnement du laser : 1 - milieu excitable ; 2 - énergie de pompage 3 ; - miroir totalement réfléchissant ; 4 - miroir semi-réfléchissant 5 - faisceau laser. Le composé 1, par exemple le gaz He-Ne ou un cristal (rubis, etc.) est placé entre les deux miroirs dont un laisse passer une petite partie de la lumière. Ce composé est ensuite excité de manière à libérer des photons lorsqu'il perd cette énergie (quand les électrons du composé passent à une couche inférieure). La taille du système qui correspond à la cavité résonnante est prévue pour que lorsqu'un photon heurte un miroir, deux photons repartent dans l'autre sens pour générer le faisceau laser (schéma d’après http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser).

 

Les différents types de laser peuvent être classés suivant les caractéristiques qu'ils présentent, en deux grandes catégories :

Dans une première catégorie, sont classés les lasers selon le mode temporel d’émission. On trouve ainsi des sources émettant en mode dit continu (durée de l'impulsion constante, exemple τ>0,25s pour l'He-Ne) ; des sources dites impulsionnelles ou pulsées dont la fréquence et la puissance sont modulables. Ce sont des lasers utilisant une diode capable de fonctionner une très courte durée (quelques femtosecondes) mais avec énormément de puissance (près d'1 MW = 1 000 kW = 1 000 000 W pour les plus puissants).

Dans une seconde catégorie peuvent être classés les lasers pour lesquels la nature du milieu actif diffère [[7]].

  - Lasers à gaz tels que les lasers atomiques neutres (laser He-Ne, He-Cd, ...), les lasers atomiques ionisés (Argon Ar+, Kryton Kr+) et les lasers moléculaires (CO2, excimères, etc.). Les lasers à gaz couvrent tout le spectre optique, depuis l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge lointain.

  - Lasers solides tels que le laser à rubis, Nd-YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme Nd-YAG) etc. ;

- Lasers à colorants : utilisation de colorants pour avoir la longueur d'onde exacte désirée (au centième de nanomètre près) ;

- Lasers à semi-conducteurs à diode laser (les photons sont produits par deux semi-conducteurs traversés par un courant électrique) ; à électrons libres ;

- A fibres (le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions rares).