Le Laser
Texte
Qu'est-ce qu'un laser ? Comment cela fonctionne-t-il ? Nous allons étudier dans cette partie les propriétés du faisceau laser, puis nous concentrer sur comment il a été produit.
Sommaire :
LE FAISCEAU LASER
LA CAVITE OPTIQUE
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‣Composition de la cavité
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‣Transition laser
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‣Pompage
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‣Plusieurs états excités
LA CREATION DU FAISCEAU LASER
LE PARCOURS DU FAISCEAU ET AMPLIFICATION
LE FAISCEAU LASER
"Laser" est l'acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », en français « amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ». Il est le descendant du maser, créé en 1953, qui créé un faisceau dans les gammes micro-ondes.
Le laser a été créé en 1960, soit 7 ans plus tard. 2010 donc est le 50 ème anniversaire du laser.
Un faisceau laser est constitué de rayons lumineux très peu divergents. Ils semblent tous se propager dans la même direction, d'où leur quasi parallélité.
Ces rayons sont d'une longueur d'onde bien définie, ce qui confère au faisceau sa couleur monochromatique : bleue, vert, rouge mais la plupart du temps invisible car la longueur d'onde est dans les gammes infrarouges, ultra-violet, micro-ondes, etc..
LA CAVITE OPTIQUE
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Composition de la cavité
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La cavité optique du laser est l'endroit où le faisceau laser est créé puis amplifié. Il est constitué d'un miroir réfléchissant, d'un milieu amplificateur et d'un miroir semi-réfléchissant, d'où sort le faisceau laser. Le milieu amplificateur a besoin d'une source d'énergie extérieure pour fonctionner.
La cavité optique
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Transition laser
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La différence d'énergie des deux états (excité et repos) de ces atomes est appelée « transition laser ». La longueur d'onde du faisceau laser sortant va donc dépendre entièrement de cette différence d'énergie : Eexcité - Efondamental = ν∙h = h∙c/λ
La transition Laser
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Pompage
A l'état naturel, la majorité des atomes contenus dans le milieu amplificateur sont dans leur état fondamental.
Le « pompage » y réalise l'« inversion de population » : la majorité des atomes passent de leur état fondamental à un état excité. Le pompage requiert de l'énergie : électrique sous forme de décharge électrique dans le milieu ou encore énergie lumineuse.
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Plusieurs états excités
Le processus de pompage n'émet pas de lumière : il n'est pas « radiatif ». Les atomes passent dans un état excité qui n'est pas celui où va se réaliser l'émission stimulée. Les atomes vont donc se décharger en énergie (de façon non radiative) et arriver dans l'état excité de l'émission stimulée (niveau haut de la transition laser).
En réalité, l'émission stimulée ne fait pas passer l'atome vers son état fondamental, mais seulement vers un état intermédiaire, un état moins excité.
Schématisation d'un milieu amplificateur à 4 niveaux
L'état excité (et donc son niveau d'énergie) où se réalise l'émission stimulée dépend de la nature des atomes du milieu amplificateur. Il existe de nombreux types de lasers différents, chaque laser ayant un milieu amplificateur particulier qui correspond à un spectre bien défini (donc à une couleur du laser bien définie) et ainsi un usage du faisceau bien précis :
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-lasers à gaz (dioxyde de carbone, hélium..)
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-des lasers à solide (rubis par exemple)
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-des lasers à vapeur métallique
LA CREATION DU FAISCEAU LASER
Le démarrage du laser ressemble à un « effet boule de neige » : au tout début, il y a une émission spontanée dans la bonne direction de la cavité et de bonne fréquence, puis ce photon va rencontrer un atome à l'état excité, ce qui va déclencher une émission stimulée.
Il y aura donc deux photons en phase dans la même direction qui vont encore déclencher d'autres phénomènes d'émissions stimulées.
La lumière laser est alors créée : elle est constituée de photons qui ont tous exactement les mêmes propriétés : la même longueur d'onde et surtout la même phase.
LE PARCOURS DU FAISCEAU ET AMPLIFICATION
La lumière qui sort du milieu amplificateur va rencontrer le miroir de sortie semi-réfléchissant : ce miroir réfléchit une faible partie de la lumière. Cette lumière passe alors une seconde fois dans le milieu amplificateur : l'intensité lumineuse est augmentée. Le faisceau rencontre alors le miroir réfléchissant, et repasse dans le milieu amplificateur.
Tout cela forme une boucle : une partie de la lumière sort par l'intermédiaire du miroir semi-réfléchissant de sortie. Bien sûr, la cavité n'étant pas parfaite, la lumière n'est pas complètement piégée : il y a des petites pertes.
L'intensité n'augmente pas indéfiniment : il existe un phénomène de saturation de l'amplification dû au fait que le milieu amplificateur ne peut pas fournir plus d'énergie qu'il n'en consomme, le courant électrique par exemple. Le gain du milieu amplificateur est une fonction décroissante de l'intensité lumineuse.
Création du faisceau laser
© Dornstetter Dufrasnes Leroux Ohayon 2009 - 2010