Approche documentaire : « Oscillateur optique, Laser »

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Approche documentaire : « Oscillateur optique, Laser »
Objectifs : en relation avec le cours sur les ondes, les documents suivants permettent de décrire le fonctionnement d’un laser
en termes de système bouclé auto-oscillant, et d'en présenter quelques applications. Il est demandé de répondre en détails aux
questions posées en fin d'énoncé, en s'appuyant sur des applications numériques que l'on commentera.
Document 1 : Émission spontanée, émission stimulée
La lumière peut être émise par un atome qui a été préalablement excité, l'atome se trouvant alors dans un état instable
d'énergie E2 supérieure à l'énergie E1 de son niveau fondamental. L'atome a ainsi absorbé de l'énergie, par exemple via
l'agitation thermique du milieu, ou bien en absorbant un photon d'énergie E = h. Pour retourner à son état stable, l'atome
peut émettre un photon d'énergie h spontanément ; la fréquence du rayonnement correspondant est , et dans ce cas le
photon est émis dans une
direction quelconque et à une
date quelconque. Ce processus
aléatoire est donc à l'origine d'une
lumière incohérente, c'est
l'émission spontanée. Il est aussi
possible de déclencher l'émission
d'un photon en stimulant l'atome
avec un photon incident. Dans ce
cas, l'atome de désexcite en
émettant un photon identique et
dans la même direction que le photon incident. La lumière produite possède ainsi de grandes qualités de cohérence temporelle
(la largeur spectrale d’émission est très faible) et de cohérence spatiale : c'est l'émission stimulée.
On rappelle que la constante de Planck vaut h = 6,63.10-34 J.s.

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Document 2 : Cavité laser et bouclage
Le LASER (acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est un oscillateur optique, propageant
une onde électromagnétique à travers un milieu amplificateur et une boucle de rétroaction, le tout formant une cavité
résonante. Cette cavité peut être linéaire ou en anneau (Figure 1), et sa longueur optique totale (un tour de cavité en anneau
ou un aller-retour linéaire) est notée Lcav. Le milieu amplificateur applique un gain G au champ électromagnétique sans le
déphaser (pompage optique, Figure 2), tandis que la sortie du laser est bouclée sur l'entrée par des miroirs, provoquant une
émission stimulée dans le milieu amplificateur. Les pertes dues à l’Absorption et à la Transmission du faisceau vers l'extérieur
doivent être compensées par le gain pour que le laser produise une lumière cohérente en sortie ; cette condition est réalisée
uniquement pour une pulsation incluse dans la bande passante |wb – wa| (Figure 3). Enfin, la cavité doit réaliser un bouclage
en phase après un parcours complet de Lcav. Cette dernière condition implique une quantification des modes propres de la cavité
laser. Pour un laser hélium-néon à cavité étendue, on a généralement Lcav = 600 mm, BP = 1 GHz et
HeNe = 632 nm. Pour un laser
titane-saphir, Lcav = 1700 mm et BP = 1014 Hz.
Figure 1 : cavité linéaire et cavité en anneau
Figure 3 : bande passante et modes propres

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Figure 2

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Document 3 : Application à la télémétrie lunaire
On considère ici un laser de longueur d'onde  = 532 nm
délivrant une énergie E = 200 mJ par impulsion.

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Document 4 : Le laser Mégajoule
Afin de simuler l'effet des explosions nucléaires, le
Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA) développe un
Laser Mégajoule, dont le l'objectif est de porter des atomes
d’hydrogène à 100 millions de degrés Celsius et de les
maintenir suffisamment proches les uns des autres
(atteignant une pression de 1 Tbar) pour déclencher une
réaction de fusion nucléaire. Le dispositif fait ainsi converger
240 faisceaux laser sur une cible de 2 mm de diamètre,
délivrant une énergie allant jusqu'à 1,8 MJ pendant une
impulsion de 5 ns. La microbille déposée sur la cible est
composée d'un mélange équimolaire de deutérium et de
tritium, pour une masse totale de 300 g.