Le laser
1 Les propriétés "extraordinaires" du laser
1.1 Cohérence temporelle et monochromaticité du faisceau laser
LASER signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations. C’est une source lumineuse caractérisée par une très grande cohérence temporelle. Les trains d’ondes qu’il émet sont de longueur l beaucoup plus grande que celle des trains créés par des sources spectrales à vapeur. De ce fait, il est très monochromatique.
On dit que le laser est une source lumineuse d’excellente définition spectrale, autour de.
La largeur spectrale en longueur d’onde vaut :
1.2 Directivité du faisceau laser
Une autre caractéristique " extraordinaire " du laser est son excellente directivité. Le faisceau émergent du laser est quasi parallèle. Sa dispersion angulaire est faible, de l’ordre de la minute d’angle. La cohérence spatiale du laser est remarquable. Le faisceau laser constitue donc une bonne approche, à courte distance, du rayon lumineux. C’est pour cela qu’on parle communément de " rayon laser ". Il permet en particulier des alignement très précis, justifiant ainsi son usage industriel dans de nombreux domaines (BTP, transports , armement, …)
1.3 Puissance du faisceau laser
Le faisceau laser peut être concentré, grâce à des lentilles, sur des zones de très faibles étendues spatiale de l’ordre de quelques dizaines de mm². On dispose ainsi localement d’une très grande densité énergétique, alliée à une excellente définition surfacique. Les têtes de lecture/écriture à diodes laser tirent parti de cette " extraordinaire " qualité permettant d’enregistrer et de restituer une très grande quantité d’informations, sonores ou visuelles, sur un espace de taille réduite (celle d’un CD).
L’effet laser se manifeste aussi bien dans les solides (lasers à rubis) que dans les liquides (lasers à colorants) et les gaz (laser à argon, à CO2). Le champ d’application de la grande puissance des lasers est immense : métallurgie, microélectronique, médecine, recherche…
2 L'effet laser : notions élémentaires
2.1 Absorption, émission spontanée, émission stimulée
L’effet laser a sa source au niveau atomique. Il fait intervenir trois phénomènes fondamentaux : l’absorption, l’émission spontanée et l’émission stimulée.
a) L’absorption
Elle correspond à la disparition d’un photon de fréquence n au cours de l’interaction lumière/système.
b) L’émission spontanée
C’est le phénomène réciproque de l’absorption, où l’on voit un atome excité au niveau d’énergie E2 retomber au niveau E1 en émettant un photon de fréquence n.
c) L’émission stimulée
C’est un effet plus particulier. Il exige d’abord la présence d’un photon stimulateur de fréquence. Ce dernier désexcite un atome du système du niveau E2 vers le niveau E1. A la fin du processus, on trouve deux photons, le stimulateur et le stimulé. Ces deux photons se propagent dans la même direction. De plus, le champ électrique de l’onde électromagnétique associée au photon stimulateur a la même direction que celui attaché au photon stimulé. On dit que les deux photons ont même polarisation. Enfin, les deux ondes associées aux photons stimulateur et stimulé sont en phase.
2.2 Inversion de population et pompage
Usuellement, la probabilité d’absorption d’un photon par un atome est supérieure à celle d’émission stimulée. Il y a donc généralement absorption, atténuation de la lumière par la matière qu'elle traverse. Il y a possibilité de renversement de ce dernier processus par la technique de pompage, laquelle inverse les populations des niveaux énergétiques atomiques. L’inversion de population des niveaux énergétiques atomiques peut se faire par pompage électrique ou optique.
2.3 Cavité Fabry-Pérot du laser : résonance
Pour accumuler les émissions stimulées, on impose aux photons de faire de nombreux allers et
retours dans le milieu actif. On utilise à cette fin la cavité résonante du laser, comprise entre
deux miroirs distants de L, dont l’un n’est que partiellement réfléchissant. La cavité laser résonne
sur plusieurs modes de fréquence :
avec c la célérité de la lumière dans le milieu amplificateur remplissant la cavité et p entier.
