LE LASER

LE LASER
Le mot LASER est l’abréviation des mots anglais suivants :
Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiations
Apparatus
Amplification
En 1954 est construit le précurseur du laser: le maser dans lequel une onde hertzienne est amplifiée à la traversée
d’un milieu grâce à une inversion de population, la lettre m étant la première lettre de « microwave ».
En 1958, le principe est appliqué aux ondes lumineuses. Le premier laser est un laser à solide : le laser à rubis.
En 1960, est fabriqué le premier laser à gaz : laser Hélium Néon.
Depuis, la technique du laser n’a fait que progresser et se diversifier.
I. PROPRIÉTÉS DU FAISCEAU LASER :
1. Directivité :
Un faisceau laser diverge très peu ; il est quasi cylindrique. Ainsi la divergence α d’un faisceau laser He-Ne est de
l’ordre du milliradian.
Application :
α/2
d
D
α/2
L
d est le diamètre du faisceau laser à la sortie de l’appareil, D est le diamètre du faisceau sur un écran situé à la
distance L de la sortie de l’appareil.
α/2
L
D  d  2 L tan

2
avec α = 1 mrad Donc

= 0,5 mrad
2
Quand la mesure d’un angle est exprimée en radian et que sa valeur est faible, ce qui est le cas ici, on peut
confondre la valeur de la mesure de l’angle avec celle de son sinus ou de sa tangente
α ≈ tan(α) ≈ sin(α)
Dd 2L

d = 0,5 mm
2
3
D  0,5  10  2  2  0,5  10 3  2,5  10 3 m
D est donc peu différent de 2,5 mm.
2. Monochromaticité :
Si on analyse la lumière émise par un laser avec un réseau, on obtient comme toujours avec un réseau plusieurs
spectres, visibles sur un écran dans le noir.. Mais chaque spectre ne contient qu’une seule raie observable à notre
échelle d’observation, contrairement à la lumière blanche, ou la lumière émise par une lampe spectrale qui sont
des lumières polychromatiques.
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Laser He-Ne du lycée :
LASER
Les atomes d’une source de lumière émettent des trains d’onde. Tout train d’onde a une longueur finie ; mais plus
il est long, meilleure est la monochromaticité.
l = c τ
l
τ  Δν = 1 : relation de Fourier.
τ représente la durée du train d’onde Δν représente la largeur de raie
c représente la célérité de la lumière.
Plus l’onde est monochromatique, plus τ est long et
plus Δν est étroit
I
I est l’intensité lumineuse
Δνlaser pour un laser Hélium-Néon émettant à
639 nm est de l’ordre d’1 GHz
Δνdoublet jaune pour la raie jaune d’une lampe spectrale
au sodium est de l’ordre de 104GHz
La lumière émise par un laser est beaucoup plus
monochromatique, que n’importe laquelle des
lumières monochromatiques constituant la lumière
émise par une lampe spectrale.
ν
Δν
ν (Hz)
3. Puissance d’un faisceau laser :
L’énergie est concentrée :
- dans un faisceau faiblement divergent
- sur une surface petite ou dans un volume réduit
- dans un petit intervalle de temps.
Soit N le nombre de photons, émis pendant le temps Δt
E= N  h  ν
énergie transportée par ces N photons pendant le tempsΔt
P
N  h 
t
Puissance lumineuse exprimée en W
La puissance surfacique est la puissance lumineuse reçue par le récepteur par unité de surface :
PS 
N  h 
t  S
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Puissance surfacique exprimée en W/m 2
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4. Cohérence d’un faisceau laser :
-
Un faisceau laser a une cohérence temporelle liée à sa monochromaticité.
Un faisceau laser a une cohérence spatiale liée à l’étroitesse du pinceau.
Scohérente
Snoncohérente
S est une source de lumière
non cohérente :
Trains d’onde courts et émis dans toutes les directions
S est une source de lumière
cohérente :
Trains d’onde longs et émis suivant la
même direction
Par exemple la lumière émise par une lampe à incandescence n’est pas cohérente.
On peut lui donner une relative cohérence temporelle, en interposant sur le trajet de la lumière un filtre
monochrome.
On peut lui donner une relative cohérence spatiale, en interposant sur le trajet de la lumière une fente qui limitera
les dimensions du faisceau de lumière.
II. FONCTIONNEMENT DU LASER : EXEMPLE DU LASER HÉLIUM-NÉON :
1. Description du laser He-Ne :
Oscillateur dans le domaine optique.



Le milieu actif est le mélange gazeux Hélium et Néon, dans lequel le rayonnement est émis et amplifié.
La cavité résonante est limitée par les surfaces réfléchissantes de deux miroirs.
Il y a une source d’énergie électrique extérieure, permettant l’entretien des oscillations.
Miroir sphérique concave
Miroir semi réfléchissant, partiellement transparent
Faisceau émergent
Pression ≈ 100Pa
Mélange He-Ne (85%d'hélium-15%de néon)
Filament
Cathode
Fenêtre de sortie
inclinée pour
éviter les pertes par
réflexion partielle
Anode
Laser He-Ne
HT ≈ 3000V
Cavité résonante
Longueur L de la cavité résonante
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2. Interaction matière photon ; émission stimulée et effet Laser :
a. Absorption d’un photon :
L’atome au niveau d’énergie E1 absorbe le photon d’énergie hν0= E2-E1
et passe au niveau d’énergie E2
L’interaction matière photon est en général de ce type car les atomes sont
plus nombreux dans les niveaux d’énergie inférieurs. C’est un principe
général en physique. Un système quelqu’il soit est d’autant plus stable
qu’il se trouve dans un niveau d’énergie faible.
E
E2
hν0
E1
Il y a alors atténuation de lumière par absorption de radiations : effet
LAAR
b. Emission spontanée d’un photon :
L’atome se désexcite et passe du niveau d’énergie E2
au niveau E1 en redonnant le photon qu’il a absorbé.
Pour l’ensemble des atomes, cela corrrespond à un ensemble de photons
émis dans des directions quelconques les uns par rapport aux autres et
aussi par rapport à la lumière incidente qui avait provoquer l’excitation de
l’atome.
Les ondes associées ne sont pas en phase et la lumière émise n’est pas
cohérente.
E
E2
hν0
E1
c. Emission stimulée :
Un photon incident d’énergie E = E2-E1 peut induire un atome
dans le niveau d’énergie E2 à se désexciter et à passer au
niveau d’énergie E1 en émettant un photon d’énergie
hν0= E2-E1 .
Les deux photons incident et émis ont donc la même
fréquence. Ils sont émis dans la même direction et les ondes
associées sont en phase. La lumière émise est amplifiée par
rapport à la lumière incidente et cohérente.
C’est l’effet Laser. ν0 est la fréquence laser.
E
E2
photon incident
hν0
photon stimulé
E1
Ce photon d’énergie hν0= E2-E1 aurait pû tout aussi bien être absorbé par un atome dans le niveau d’énergie E 1.
Ce qui détermine l’absorption ou la stimulation, c’est le nombre d’atomes dans les deux niveaux E 1 et E2.
Si le nombre d’atomes au niveau E1 > nombre d’atomes au niveau E2 : absorption du photon incident favorisée.
Si le nombre d’atomes au niveau E1 < nombre d’atomes au niveau E2 : stimulation d’un deuxième photon par le
photon incident favorisée.
3. Le pompage électrique ou optique :
Il y a naturellement plus d’atomes dans le niveau d’énergie inférieur E1.
Pour avoir plus d’atomes dans le niveau E2, il faut donc le provoquer artificiellement et créer ce qu’on appelle une
inversion de population.
Soit par un pompage électrique comme dans le laser Hélium-Néon.
Soit par un pompage optique : lampe flash du laser à rubis.
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4. Mécanisme dans le cas du laser He-Ne :
Le gaz contient 85% d’Hélium et 15% de Néon. La décharge électrique affectera donc principalement les atomes
d’Hélium qui sont les plus nombreux.
Transition non radiative
E
E4
Pompage électrique
E3
Transition laser
photon incident
E2
E1
He
Ne
Le pompage électrique fait passer les atomes d’Hélium du niveau d’énergie fondamental E 1 au niveau d’énergie
excité E4 à durée de vie très courte (10-8s).
Au cours d’une collision résonante avec les atomes de Néon présents dans le milieu, les atomes d’Hélium
transfèrent à ces derniers leur énergie avec une légère dégradation de cette énergie. Les atomes de Néon vont
donc passer du niveau d’énergie fondamental E1 au niveau d’énergie E3 métastable à durée de vie longue (10-3s).
L’énergie perdue se retrouve sous forme d’énergie thermique puis cinétique.
De plus en plus d’atomes de Néon dans le milieu vont aller peupler le niveau d’énergie E 3. Dès que leur nombre
devient supérieur à celui du niveau d’énergie E2, l’inversion de population étant réalisée, n’importe quel photon
d’énergie juste égale à E3-E2 présent dans le milieu pourra induire une émission stimulée, avec passage d’un
atome de Néon du niveau d’énergie E3 au niveau d’énergie E2.
Le laser Hélium Néon est parfois appelé laser à 4 niveaux, dans la mesure où son fonctionnement fait intervenir 4
niveaux d’énergie.
La transition laser se fait entre deux niveaux Ei+1 et Ei qui doivent satisfaire aux conditions suivantes :



Etre distants de 1 à 3 eV.
Etre suffisamment fins pour que les photons émis soient de la même fréquence.
La probabilité de transition doit être suffisamment forte. En particulier, la transition doit être une transition
permise.
Le pompage fait intervenir obligatoirement un niveau d’énergie supérieur au niveau d’énergie Ei+1.Un laser
ne peut fonctionner seulement avec deux niveaux d’énergie. Il faut obligatoirement un niveau d’énergie
supplémentaire supérieur au niveau d’énergie le plus haut de la transition laser. Un laser a au minimum 3
niveaux (exemple de laser à 3 niveaux : le laser à rubis)

Dans le cas du laser He-Ne, les atomes de Néon oscillent entre les deux niveaux d’énergie E 2 et E3
Le laser est un oscillateur à fréquence optique où l’énergie électrique fournie lors de la décharge électrique est la
source extérieure d’énergie permettant d’entretenir les oscillations.
5. Rôle de la cavité résonante :
Rôle analogue à celui d'un tuyau sonore qui renforce un son.

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L'onde se réfléchit un grand nombre de fois sur les miroirs fermant la cavité, traverse un grand de fois le
mélange gazeux, donnant lieu à de nouvelles émissions de photons. Il y a donc amplification du faisceau
lumineux à chaque traversée du mélange gazeux, et augmentation de la puissance lumineuse
transportée.
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Il se produit des interférences entre l'onde incidente et les multiples ondes réfléchies avec pour certaines
valeurs de fréquences de résonance ν, établissement d'ondes stationnaires.
M1
M2
λ
2
Lorsque des ondes stationnaires s'établissent entre les deux miroirs de la cavité résonante, on a
λ
M1M2 = L = k 
2
L est la distance entre les deux miroirs ou longueur de la cavité résonante :
λ
c c0

ν nν
c est la célérité de la lumière dans le milieu gazeux, c0 la célérité de la lumière dans le vide
n est l’indice de réfraction du milieu
Donc les fréquences de résonance sélectionnées par la cavité résonante et permettant
l'établissement d'ondes stationnaires sont telles que: ν 
ν
k  c0
2n  L
c c0


λ n λ
c0
k  c0

2 L 2nL
n
k
k est un entier.
A chaque valeur de k, il correspond une valeur de ν fréquence de résonance désignée par mode
longitudinal.
Écart entre deux modes consécutifs :
Δν = νk+1 - νk =
ν 
c0
2n  L
3,0  10 8
2  0,3
n≈1
L ≈ 0,3 m
 500 MHz
Par ailleurs la transition laser se fait entre deux niveaux d'énergie E2 et E1 tels que
E2-E1 = 1,97 eV
On en déduit λ0= 632,8 nm
ν0 = 4,6...  1014Hz longueur d'onde et fréquence de l'onde laser.
ν0 est élargie d'une largeur Δν0 (effet Doppler des atomes émetteurs qui sont en mouvement tandis qu'ils
émettent de la lumière). L'intensité lumineuse étant la plus grande pour ν0.
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g
I
gm
ν0
ν
ν1
ν0
ν2
ν
ΔνL
Δν0
Pour que le laser fonctionne, il faut que le gain de l'amplification g soit supérieur au gain minimal gm,
nécessaire pour compenser les pertes d'énergie dans la cavité (émission lumineuse, diffraction, diffusion,
absorption des photons, chocs thermiques..etc)
ΔνL est la largeur de raie laser, qui correspond à g> gm.
Pour un laser He-Ne ΔνL= 1500 MHz
= 3 Δν
Le nombre de modes longitudinaux sélectionnés par le laser He-Ne est donc 3.
3 fréquences de résonance de la cavité optique sont à l'origine de l'onde émise.
ν1 = ν0 – Δν
ν0
ν2= ν0 + Δν
avec ν0 = 4,6..  1014Hz et Δν = 500 MHz
Chaque mode est très monochromatique: δλ = 6,5 MHz
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