Principes physiques du Laser

Résumé du document

LASER est une abréviation anglo-saxonne signifiant « Light Ampification by Stimulated Emission of Radiation » ou en français, amplification de la lumière par émission induite de rayonnement. Pour bien comprendre ce qu'est un LASER il convient d'analyser en détail les phénomènes d'absorption et d'émission de la lumière par les atomes et d'introduire le concept fondamental d'émission induite (ou stimulée).

Extraits

[...] Les propriétés du photon induit sont remarquables : il est émis exactement dans la même direction que le photon incident et en phase avec lui. Finalement avec un photon incident, nous obtenons deux photons identiques. D'une certaine manière, l'émission induite est comparable à la multiplication de photons identiques ou, en d'autres termes, à une amplification du rayonnement. A noter que l'émission spontanée, qui n'est causée par aucun photon incident, s'explique par un mécanisme assez similaire à celui de l'émission induite. [...]

[...] Le photon est alors émis dans une direction quelconque. Supposons maintenant qu'un photon de même énergie (Em En) rencontre l'atome alors dans l'état excité Em. L'interaction entre ce photon et l'atome va provoquer le saut de l'électron vers l'état d'énergie inférieure En et l'émission d'un photon de même énergie Em En. On dit que le premier photon a induit l'émission du second d'où le nom donné à ce phénomène d'émission induite ou stimulée. Mécanismes d'émission spontanée et d'émission induite Pour bien comprendre ce qui se passe lors de l'émission induite ou de l'absorption d'un photon représentons-nous l'électron comme un oscillateur possédant plusieurs pulsations propres w1, w2, w3, Lorsqu'un photon de pulsation wphoton atteint l'atome, il imprime une oscillation forcée à l'électron. [...]

[...] L'existence de la dernière transition, de E2 à E1, ne doit pas être négligée : par sa rapidité, elle permet effectivement d'éviter que les photons émis par émission induite ne soient absorbés par les atomes se trouvant dans l'état fondamental, ce qui ruinerait les efforts entrepris pour provoquer l'émission induite. III. Propriétés physiques du rayonnement LASER Quel est finalement l'intérêt des LASER ? Au delà de la pure prouesse technologique, la lumière LASER possède des propriétés qui lui confèrent un très grand intérêt scientifique qui peuvent se résumer en un mot : cohérence. On dit qu'un faisceau laser présente une forte cohérence spatiale et temporelle. [...]

[...] Illustration de la cohérence spatiale et temporelle. Figure a : trains d'onde émis par une source lumineuse classique. Les trains d'onde sont courts et se superposent anarchiquement. Figure b : faisceau laser. Les trains d'onde sont très longs et en phase (cohérence temporelle et spatiale) La cohérence spatiale et la cohérence temporelle des faisceaux laser en font des outils uniques pour l'étude des propriétés de la lumière et de la matière. [...]

[...] La lumière émise par les sources lumineuses classiques est constituée d'une multitude de trains d'onde qui se superposent. Chaque train d'onde est très court dans le temps. Un observateur situé en un point va recevoir une succession de vibrations électromagnétiques qui ne sont pas liées entre elles car les trains d'onde qui les composent sont trop brefs. Dans le cas d'un faisceau laser, un même train d'onde peut s'étendre sur plusieurs dizaines de centimètres. Les vibrations ainsi reçues par notre observateur appartiennent, pour un temps très long par rapport à la période de l'onde, à la même onde. [...]