Le laser (1956)

L.A.S.E.R. = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiation

Utilisation de lasers lors d'un spectacle
Vison interne d'une cavité d'un laser

Théories fondamentales

Détails plus bas
  • Mécanique quantique (≃1910)
  • Physique du solide (≃1920)

Principe théorique

Einstein
En 1917

Inventeurs

Gordon, Zeiger et Townes
En 1953
Prix Nobel pour Townes en 1964

Applications

  • Usinage
  • Lecture codes barres, DVD...
  • Télécommunications (fibres optiques)
  • Refroidissement d’atome par laser
  • Fusion nucléaire contrôlée par laser megajoule
  • Mesure de vitesse et de distance
Plus de détails ci-dessous

Principe de fonctionnement d’un laser

Un laser est composé d’un miroir réfléchissant et d’un autre semi-réfléchissant entre lesquels nous trouvons le milieu amplificateur. Les ondes font des allers et retours entre ces 2 miroirs miroirs permettant au signal de se “renforcer”, de s’amplifier. Le schéma ci-dessous présente une vision simplifiée des constituants du  laser :
  • Le milieu amplificateur : il est composé d’atomes ou molécules (ions de chrome dans une matrice solide pour le laser à rubis ; gaz ; semi-conducteurs…) contenu dans une cavité Fabre-Perot.
  • Le pompage : Action qui consiste à obliger une majorité d’électron des atomes (ou molécules) à occuper un état excité plutôt qu’un état fondamental : on effectue une inversion de population (plus de détails ci-dessous). Cette opérateur nécessite une source d’énergie extérieure (un générateur électrique ou un autre laser)
  • Le miroir de sortie (rectangle blanc) : il est semi-réfléchissant à 99 %. Cela signifie qu’une petite partie seulement de l’onde va être transmise.  La majeur partie du signal va être réfléchie pour revenir dans le milieu amplificateur.

Mais qu'est ce que l'inversion de population ?

En première, nous voyons les mécanismes d’absorption et d’émission des photons pour un objet opaque avec le modèle atomique de bohr.

En 1917, Einstein proposa une expérience de pensée, « pour le plaisir », en se demandant ce qu’il se passerait si un atome déjà excité venait à rencontré un photon ? Il expliqua l’ « émission stimulée » ainsi :

L’électron peut se « désexciter » vers le niveau fondamental grâce à un photon

… qui sera alors amplifiée.

Le générateur fournit de l’énergie aux électrons pour que l’ensemble de leur population se retrouve sur un niveau excité et non plus le fondamental : c’est l’inversion de population.

Les électrons ne vont pouvoir se désexciter que sous l’effet de photons qui proviennent de l’onde qui a fait demi-tour pour revenir dans le milieu amplificateur.

Cavité d'un laser
Description de la cavité d’un laser où les phénomènes d’émission spontanée et stimulée sont mises en évidence au travers de l’orientation du miroir arrière. Les phénomènes de polarisation, de taille de la cavité et de perte par diffusion sont décrites.
Source – “canal-u.tv

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