Le laser

1. Description du laser

Le laser est donc une source monochromatique ayant des grands trains d’ondes cohérents spatialement et temporellement. Nous allons à présent décrire la composition du laser puis expliquer son fonctionnement. Le laser est donc constitué comme cela :

D’une cavité où la « production » de photons de même fréquence va se faire. C’est la cavité résonnante. C’est ici que ce réalise le pompage d’électrons.
D’une source électrique : en général, on utilisera plus souvent un flash, mais il existe d’autres sources, capables de remplir la même tâche.
D’un miroir réfléchissant.
D’un miroir semi-réfléchissant.
Du faisceau laser.

Son principe global est simple : une source d’énergie vient exciter les atomes, présents dans la cavité résonnante. Ces atomes vont alors émettre des photons de même fréquence puisque le matériau, présent à l’intérieur de cette cavité, est un matériau « atomiquement » homogène, qui va produire un seul type de rayonnement à une longueur d’onde précise. Ces photons émis vont alors exciter d’autres atomes par un nouveau principe que nous allons expliquer dans un instant : l’émission stimulée.
Le miroir réfléchissant va alors renvoyer tous ces photons dans le sens opposé et permettre alors d’autres excitations atomiques qui produiront d’autres photons, qui vont exciter d’autres atomes…
Une fois qu’il y a suffisamment de photons émis, le miroir semi-réfléchissant va alors laisser s’échapper un rayon laser, c’est-à-dire un ensemble de photons caractéristiques des cohérences spatiales et temporelles, puisqu’ils sont finalement tous les mêmes.
Voilà donc comment on crée un rayon laser.

2. Fonctionnement du laser

A. L’émission stimulée

Le principe du laser repose donc sur un nouveau type d’émission lumineuse : l’émission stimulée.
L’émission stimulée, ou émission induite, a pour principe suivant : lorsque qu’un atome est dans un état excité et qu’il va absorber un photon, l’électron va alors redescendre sur sa couche fondamentale en émettant un photon amplifié. Ceci ne peut se faire que si la fréquence du photon absorbé correspond exactement à l’énergie que doit libérer un atome pour descendre sur sa couche fondamentale ; il libère alors un deuxième photon qui possèdera la même fréquence que le premier. De plus, il va allonger le train d’onde du premier photon.
L'émission stimulée agit donc comme une duplication d’une même onde lumineuse. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière, composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s'ils étaient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumière laser.

B. Inversion de population

Pour que l’émission stimulée fonctionne, il faut que l’amplification l’emporte sur l’amortissement.

a) Amplification

Quand un photon, d’amplitude A, va traverser, par exemple, une série de quatre atomes, présents dans un même état excité E₂, il va se produire une émission stimulée, le photon sera amplifié, il y aura alors amplification du photon. Celui-ci obtient alors une nouvelle amplitude 4A, et les atomes auront une grande probabilité de redescendre à l’état fondamental E₁.

b) Amortissement

Lorsqu’un photon, d’amplitude 4A, traverse une série de quatre atomes présents à l’état E₁, il obtient une amplitude A. C’est donc un coupable amortissant, puisque le photon a finalement perdu de l’amplitude, donc de l’énergie. Il a été amorti par les autres atomes, qui sont montés sur la couche E₂.

Comment faire pour que l’amplification l’emporte sur l’amortissement puisque si les atomes sont excités, ils vont monter en E₂ mais vont, de manière aléatoire, redescendre aussitôt en E₁?

c) Solution

La solution est la suivante : il faut que le nombre d’atomes excités N₂ soit en plus grand nombre par rapport à celui des atomes présents à l’état fondamental N₁. Or, dans un corps en équilibre thermique, N₁ est toujours supérieur à N₂, l’état fondamental est toujours le plus peuplé. Il faut donc réaliser un état artificiel où N₂ soit plus grand que N₁. Cette manipulation se nomme inversion de population. Son principe est le suivant : des photons dits « bleus », c’est-à-dire des photons très énergétiques, excitent les atomes présents sur la couche fondamentale. Mais au lieu de se placer sur la couche E₂, ces derniers passent directement sur une troisième couche électronique, la couche E₃. Quelques temps plus tard, ils vont effectuer une transition non radiative d’E₃ à E₂. La transition d’E₂ à E₁ est aléatoire et émettrice d’un photon.

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.
Le pompage est donc une excitation des atomes par une source extérieure pour les faire ramener au niveau E₃.

Le principe de l’inversion de population résous donc le problème (celui d’avoir N₂ > N₁).

C. Milieu amplificateur du laser

Après que les atomes soient passés sur la couche électronique E₂, d’autres photons, créés à partir de la transition E₂-E₁ vont réaliser une émission stimulée sur les atomes présents en E₂. De nouveaux photons vont alors être créés.
L’endroit où tous ces phénomènes sont produits s’appelle le milieu actif, réalisés à partir d’un milieu amplificateur.
Le milieu amplificateur est un matériau qui permet d'amplifier la lumière le traversant, en utilisant le pompage. Ce matériau peut différer selon les lasers. Ainsi, on peut trouver des milieux gazeux, liquides ou solides avec différentes sources. C’est cela qui distingue deux types de lasers.
On attribue à ce milieu l’adjectif d’ « amplificateur » car celui-ci possède deux miroirs, capables d’amplifier de la lumière. En effet, quand les nouveaux photons sont générés, il reste des atomes à l’état fondamental E₁ et des atomes à l’état E₂. Grâce aux miroirs, ces photons vont alors retourner dans le milieu s’amplifier en faisant descendre les atomes placés en E₂ à l’état E₁ par l’émission stimulée.
Après quelques trajets entre les deux miroirs parallèles, le miroir semi-transparent va laisser s’échapper les photons qui se sont multipliés. Il est opportun de rappeler que ces photons ont tous la même fréquence, qu’ils sont tous en phase et qu’ils vont tous dans une même direction, ou bien, qu’ils respectent tous la cohérence spatiale et temporelle. La résultante de tous ces facteurs est bien sûr… un faisceau laser.

Voilà donc pourquoi le laser est une « amplification lumineuse par une émission stimulée de radiations » ; car il utilise le principe d’émission stimulée associé à l’amplification de ses photons, produite dans une cavité spécifique.

Ici, seul le trajet d’un photon s’amplifiant est représenté.

Nous pouvons illustrer le principe du laser par la video suivante :