Laser

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Laser
L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée.
C'est l'acronyme anglais de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (en
français, « amplification de la lumière par émission stimulée de radiations »). La plupart des
amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser. Une source laser est une source de lumière
cohérente basée sur l'effet laser. Descendant du maser, il s'est d'abord appelé maser optique.
Introduction
Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique,
encore appelée resonnateur, généralement constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des
deux est semi-réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre
partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Les caractéristiques géométriques de cet
ensemble imposent que le faisceau émis est généralement peu divergent, c'est à dire
spatialement cohérent. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extremement
directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent également que le
rayonnement émis est d'une grande pureté spectrale, c'est à dire temporellement cohérent. Le
spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des
longueurs d'ondes définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est
cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'emission spontanée au sein de
l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission sur
une seule longueur d'onde.
Au XXIe siècle, le laser est plus généralement vu comme un amplificateur de tout
rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière visible. Les longueurs d'ondes
concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines
de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et on commence même à les appliquer aux rayons
X.
Principe du laser
La matière est formée d'atomes, eux-mêmes constitués d'un noyau central et d'électrons qui
gravitent autour. Les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergies (« couches »)
caractérisés par un nombre quantique n (nombre entier naturel supérieur ou égal à 1). Plus n
est petit (proche de 1), plus les électrons sont « proches » du noyau, et plus il faut d'énergie
pour les « arracher » à l'atome. Chaque état de l'atome correspond à une énergie bien précise,
négative par convention (parce qu'il faut fournir de l'énergie pour arracher les électrons, l'état
où l'électron est libre étant pris comme conventionnellement le niveau d'énergie nulle).
Du point de vue atomique, il existe trois types de réactions photoniques possibles :
l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée.

Dans l'absorption, un atome stable absorbe un photon (particule de lumière) et un de
ses électrons atteint alors le niveau d'énergie supérieur (plus loin du noyau) ; l'atome
est alors dans un état dit excité, instable : il est prêt à rendre l'énergie qu'il a acquise
pour retourner à son état antérieur (ou un autre état stable). Dans le cas des laser, on
parle de « pompage optique ». Noter que le pompage optique n'est pas la seule
méthode pour mettre des atomes dans un état excité : il est possible par exemple
d'exploiter une réaction chimique, ou encore un bombardement par d'autres sortes de
particules.

L'émission est le phénomène inverse : un atome excité retombe à un état plus stable.
L'électron dans un haut niveau d'énergie retourne à un état d'énergie plus basse, et
l'atome émet le surplus d'énergie sous la forme d'un photon ; le retour à l'état le plus
stable peut passer par plusieurs étapes (plusieurs états d'énergie intermédiaires),
auquel cas il y aura l'émission de plusieurs photons qui se partageront l'énergie
d'excitation. Les photons ainsi produits ont tous une énergie bien précise,
correspondant à la différence d'énergie entre l'état de départ de l'atome et son état
final.

L'émission peut se produire spontanément, mais elle peut également être stimulée par
un photon dont l'énergie correspond à l'énergie d'un photon que l'atome excité peut
produire spontanément. Dans ce cas, la désexcitation de l'atome provoque l'émission
d'un autre photon qui a exactement les mêmes caractéristiques (longueur d'onde,
direction et phase) que celui qui a provoqué la désexcitation (même état vibratoire des
deux photons) : on obtient donc deux photons identiques. Le phénomène laser provient
d'un effet d'avalanche : chacun des deux photons identiques peut à son tour provoquer
la désexcitation d'autres atomes, produisant toujours plus de photons toujours
identiques.
Le principe de la source laser consiste en premier lieu à exciter les électrons d'un milieu, puis
à y déclencher l'émission stimulée de photons. Pour cela, un laser possède un réservoir
d'électrons (ce réservoir peut être solide, liquide ou gazeux) associé à une source excitante qui
« pompe » les électrons à de hauts niveaux d'énergies. Dans un second temps, un photon est
injecté dans le milieu, ce qui produit, pendant la désexcitation d'un des atomes, un deuxième
photon identique. Ces deux photons produisent à leur tour deux autres photons identiques
pendant la désexcitation de deux autres atomes. C'est une réaction en chaîne. Outre
l'intensification du rayon laser, ce phénomène consomme très rapidement les atomes excités,
qu'il est difficile de reconstituer aussi vite : il est donc très difficile de faire fonctionner un
laser en mode continu. En pratique, ils fonctionnent en mode par impulsions (mais on peut
obtenir des « rafales » tellement dense que la différence avec un mode continu est peu
sensible).
Dans un laser, le photon de stimulation (et donc la lumière de sortie) est d'une nature (énergie)
différente des photons utilisés pour le pompage optique : dans le cas contraire, au lieu de
produire une excitation des atomes, les photons de pompage pourraient provoquer une
émission stimulée, avec globalement un rendement nul. Typiquement, le laser joue sur trois
niveaux d'énergie :
1. le pompage fait passer les atomes du niveau le plus bas au niveau le plus élevé,
2. les atomes passent spontanément à un niveau intermédiaire (ce qui évite l'émission
stimulée par la lumière de pompage), et
3. c'est le retour du niveau intermédiaire vers le niveau le plus bas qui est stimulé avec
production du rayon laser.
Le rayonnement laser est accumulé entre deux surfaces réfléchissantes, qui forment ce qu'on
appelle une cavité résonante, avant de le relâcher sous forme de faisceau. Deux miroirs, dont
l'un semi-réfléchissant, situés aux extrémités du laser, se renvoient les photons émis, donc la
réaction en chaîne ne s'arrête pas lorsqu'on arrive au bout du réservoir d'électron, on les
renvoie dans le réservoir et la chaîne se poursuit dans l'autre sens. Ainsi, la lumière s'intensifie
à chaque passage jusqu'à ce qu'elle soit libérée par le miroir partiellement transparent à
l'extrémité du dispositif. Pour certaines applications très énergétiques, le faisceau émis
traverse des amplificateurs complémentaires associés à des dispositifs optiques complexes
permettant des expériences scientifiques de recherche fondamentale, ou des applications
industrielles (soudure, découpe, gravure...)
Différents types de laser [modifier]
On classe les lasers selon six familles, en fonction de la nature du milieu excité.
Cristallins (à solide) [modifier]
À colorants [modifier]
À gaz [modifier]