Leçon 34

Leçon 34
Principe du LASER (Terminale S)
Bibliographie : un seul ouvrage : le BELIN. On peut reproduire la leçon telle quelle, elle est correcte.
Autre plan, avec quelques idées supplémentaires. Ne pas oublier de donner la signification du sigle !
I. POSITION DU PROBLEME :
1. Recherche d’une source monochromatique : on doit avoir vu dans la leçon sur les interfé-
rences les notions de cohérence temporelle & spatiale. Le MASER (M pour Micro-onde) en 1954
(Townes) puis le LASER en 1960 (Maiman, Javan) réalisent les projets de sources aussi monochroma-
tiques que possible. Il faut donc privilégier une transition radiative, & éliminer les autres. Les photons
émis de propageant dans la même direction, le faisceau est directif & la cohérence spatiale assurée.
2. L’inversion de population : dans tout système, on peuple d’abord les niveaux d’énergie les plus
faibles (principe de stabilité pour la classification périodique), & l’équilibre statistique conduit à la loi de
Boltzmann
 TkW
nWn B
oexp.)(
. L’entretien du système nécessite de peupler des niveaux supé-
rieurs à longue durée de vie : c’est l’inversion de population (Kastler 1950, prix Nobel), obtenue par la
lumière d’un flash dans le LASER à rubis.
3. L’entretien : la cohérence requiert des photons identiques, donc émis par émission stimulée (la
phase étant aléatoire dans l’émission spontanée). Le rapport des probabilités de ces deux processus étant
proportionnel à
3
explique que le MASER ait été mis au point en premier. Pour un fonctionnement
avec amortissement négligeable, la source doit être un bon oscillateur (le facteur de qualité atteint 3.108)
utilisant une amplification par réaction en boucle fermée.
II. PROPRIETES & FONCTIONNEMENT DU LASER :
1. L’effet LASER : dans le processus d’émission induite ou stimulée, le photon émis a même fré-
quence, donc même énergie, même direction, même sens que le photon inducteur, se trouve en phase
avec lui & donc lui ajoute son énergie. Comme il peut à son tour provoquer une autre émission stimulée,
on réalise donc un amplificateur optique entre les deux niveaux d’énergie intervenant dans la transition.
2. La cavité résonnante :
 Dans un LASER à gaz, c’est une cavité Fabry - Pérot, limitée par deux miroirs (celui côté sortie
ayant R = 0,99 pour laisser sortir le rayonnement au bout de 100 amplifications) inclinés à
l’incidence de Brewster pour polariser la lumière. L’apport d’énergie pour l’inversion de population
est réalisé par une décharge électrique dans le gaz sous faible pression, qui peut exister en régime
permanent & donc ce LASER fonctionne en continu.
 Dans un LASER à rubis, on argente les faces limitant le cristal pour réaliser les miroirs. L’apport
d’énergie pour l’inversion de population est réalisé par une décharge de condensateurs alimentant un
flash dont la lumière est focalisée par des miroirs elliptiques (la lampe flash & le cristal occupant les
foyers). C’est un régime transitoire, & donc ce LASER fonctionne en impulsions pouvant atteindre
la picoseconde, avec une énergie de l’ordre du MégaJoule, & donc des puissances gigantesques.
Remarque : la puissance du LASER vaut :
SucP
, où S est la section du faisceau & c la vitesse de la
lumière. Il en résulte que la densité d’énergie u peut devenir très élevée !

3. Les modes du LASER : la cavité résonnante de longueur L doit vérifier une condition
d’interférences constructives, soit
L
c
ppL p2 2
. On a donc plusieurs modes équidistants en
fréquence. Pour un LASER de longueur d’onde
Hz10.74,4m10.328,6 14
o
7 
. L’agitation
thermique des atomes de masse atomique M, à la température T, du milieu amplificateur fait que la raie
théorique o a une largeur (effet Doppler)
Hz01.5,1
2ln22 9
 M
RT
D
. La largeur propre d’une
raie est donnée par :
D
o
Q
 6
8
14 10.58,1
10.3
10.74,4
, & donc il y a plusieurs modes possibles,
alors que la condition inverse
D
o
Q
conduit à un mode unique pour un MASER. En reve-
nant à notre LASER,
m 901.   c tcl
, longueur de cohérence (autorise des ddm de cet ordre !).
Le LASER est donc un oscillateur à fréquences multiples, chaque mode étant de forte monochromaticité.
En effet :
m 10.2 15
2
 c
c
! !
4. La directivité du faisceau : l’énergie est émise dans un angle solide , d’ouverture  tel que :
 cos12
. Pour un LASER à gaz,  < mrad, & est supérieure pour un LASER de puissance &
surtout pour les diodes LASER.
III. APPLICATIONS : elles utilisent toutes les qualités du LASER, soit la cohérence (spatiale ou tem-
porelle), la directivité du faisceau & sa densité d’énergie élevée. On les trouve partout :
1. Applications industrielles :
 On utilise la densité élevée d’énergie pour réaliser des soudures ou des découpes nettes & sans ba-
vures ;
 La directivité est utilisée en télémétrie & guidage ;
 La cohérence est utilisée dans divers lecteurs (CD, code barres), les contrôles de planéité ou
d’épaisseur & dans les télécommunications (fibres optiques).
2. Applications médicales :
 On utilise la directivité & la cohérence spatiale pour en faire un micro bistouri & pour des traite-
ments de cellules.
3. Applications en physique :
 La cohérence temporelle s’utilise dans tout ce qui nécessite une longueur d’onde bien déterminée ;
 La cohérence totale s’utilise en holographie, en particulier le microscope à holographie à un pouvoir
de résolution tel qu’il permet de voir les nuages électroniques !
 L’énergie des LASER de puissance est utilisée dans l’optique non linéaire & les recherches sur la
fusion contrôlée ;
4. Applications en métrologie :
 Utilisent la cohérence temporelle : nouvelles définitions de la seconde, du mètre.
5. Applications militaires :
 Utilisent l’énergie, donc le pouvoir destructeur des LASER de puissance comme canon ;
 Utilisent la directivité pour le guidage des bombes.