Cours d`initiation à la physique quantique MODULE III LASERS

Cours d’initiation à la physique quantique
MODULE III
LASERS
POLARISATION de la LUMIERE
FIBRE OPTIQUE
DIODES LASERS
PHOTONS UNIQUES
Luc Louys
Année 2013 – 2014

TABLE DES MATIERES
Chapitre 1. LASERS ............................................................................................................. 1
1.1 DEFINITIONS ...................................................................................................................... 1
1.1.1 Laser ................................................................................................................................... 1
1.1.2 Maser .................................................................................................................................. 1
1.2 BREF HISTORIQUE ............................................................................................................ 1
1.3 INTERACTION PHOTON – ELECTRON .......................................................................... 1
1.3.1 Absorption .......................................................................................................................... 1
1.3.2 Emission spontanée ............................................................................................................ 2
1.3.3 Emission induite ou stimulée .............................................................................................. 2
1.3.4 Equation de Boltzmann – Coefficients d’Einstein ............................................................. 3
1.4. MASER – LASER ................................................................................................................ 7
1.4.1 Base du fonctionnement : inversion de population ............................................................ 7
1.4.2. Pompage à trois niveaux – laser à rubis ............................................................................ 8
1.4.3. Pompage à quatre niveaux – laser Nd:YAG .................................................................... 11
1.4.4. Les composants d’une cavité maser – laser ..................................................................... 13
1.4.5 Quelques propriétés du faisceau laser .............................................................................. 16
1.4.6 Quelques types de masers – lasers .................................................................................... 19
Chapitre 2. POLARISATION DE LA LUMIERE .................................................. 21
2.1 DEFINITIONS .................................................................................................................... 21
2.1.1 Onde électromagnétique ................................................................................................... 21
2.1.2 Onde non polarisée ........................................................................................................... 21
2.1.3 Polarisation rectiligne ....................................................................................................... 22
2.1.4 Polarisations elliptique et circulaire ................................................................................. 23
2.2 POLARISEUR – ANALYSEUR – LOI DE MALUS ........................................................ 23
2.3 POLARISATION PAR REFLEXION ................................................................................ 24
2.4 POLARISATION PAR BIREFRINGENCE – DICHROÏSME .......................................... 27
2.5 LAME QUART D’ONDE ................................................................................................... 31

Chapitre 3. FIBRES OPTIQUES ..................................................................................... 33
3.1 LOIS DE LA REFRACTION (SNELL-DESCARTES) ...................................................... 33
3.1.1 Première loi ....................................................................................................................... 33
3.1.2 Deuxième loi ..................................................................................................................... 33
3.2 PHENOMENE DE REFLEXION TOTALE – ANGLE LIMITE ....................................... 34
3.3 FIBRES OPTIQUES ET COMMUNICATIONS PAR FIBRES ........................................ 34
3.3.1 Introduction ....................................................................................................................... 34
3.3.2 Structure d’une fibre à saut d’indices – Propagation par réflexion totale ......................... 35
3.3.3 Dispersion modale et codage ............................................................................................ 36
3.3.4 Fibres à gradient d’indice .................................................................................................. 38
3.3.5 Fibres monomodes ............................................................................................................ 38
3.3.5 Causes d’atténuation dans une fibre optique..................................................................... 38
Chapitre 4. DIODES LASERS ......................................................................................... 39
4.1 DIODE A SEMI-CONDUCTEUR CLASSIQUE ............................................................... 39
4.1.1 Bandes d’énergie dans les cristaux covalents intrinsèques ............................................... 39
4.1.2 Dopage .............................................................................................................................. 40
4.1.3 Jonction PN ou diode ........................................................................................................ 41
4.2 DIODES LASERS ............................................................................................................... 44
4.2.1 Lasers à semi-conducteurs ................................................................................................ 44
4.2.2 Principe de fonctionnement du laser à homojonction ....................................................... 44
4.2.3 Laser à hétérojonction ....................................................................................................... 46
4.2.4 Structures à boîtes quantiques semi-conductrices ............................................................. 46
Chapitre 5. EMISSION PHOTON PAR PHOTON .................................................... 48
5 1 DUALITE ONDE ELECTROMAGNETIQUE – PHOTON .............................................. 48
5.2 SOURCES DE PHOTONS UNIQUES ............................................................................... 48
5.3 UN PREMIER EXEMPLE : CENTRES COLORES « NV » DU DIAMANT.................. 49
5.4 UN AUTRE EXEMPLE : LES BOÎTES QUANTIQUES SEMI-CONDUCTRICES........ 52
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................ 53

Lasers – Photons uniques 1
CHAPITRE 1. LASERS
1.1 DEFINITIONS
1.1.1 Laser
Ce terme est l’acronyme anglais « Light Amplification by stimulated emission of radiation »,
soit en français « Amplification de lumière par émission stimulée de radiation ».
Il s’agit donc d’une amplification d’ondes électromagnétiques dans le domaine du visible et,
par extension, dans les domaines proches (infrarouge, ultraviolet).
1.1.2 Maser
Ce terme est l’acronyme anglais « Microwaves Amplification by stimulated emission of
radiation », soit en français « Amplification d’ondes micrométriques par émission stimulée de
radiation ».
Il s’agit donc d’une amplification d’ondes électromagnétiques dans le domaine des micro-
ondes (ondes radio centimétriques et décimétriques).
1.2 BREF HISTORIQUE
Dès 1917, pour des raisons théoriques que nous exprimerons plus loin, Einstein envisage la
possibilité de production de rayonnement (électromagnétique) par émission stimulée.
Il faut attendre 1953 pour que Charles Townes, James Gordon et Herbert Zeiger mettent au
point le premier maser à ammoniac gazeux ( 3 NH ).
En 1958, Townes et Schawlow proposent une technique de production de radiation par
émission stimulée et les premiers lasers sont construits à partir de 1960 (Maiman).
En 1964, le Prix Nobel de physique est attribué à Townes, Basov et Prokhorov pour leurs
travaux théoriques et/ou expérimentaux concernant les applications de l’émission stimulée.
1.3 INTERACTION PHOTON – ELECTRON
1.3.1 Absorption
Un électron d’un atome (ou ion), dans un état lié à ce dernier (énergie négative), dans son état
fondamental ou déjà excité, peut être porté à une énergie plus élevée soit par collision
(excitation collisionnelle) avec une particule de matière (en général un électron), soit par
absorption d’un photon (excitation radiative – Figure 1.1.a). Ces niveaux d’énergies liées
étant quantifiés, pour que cette absorption de photon puisse se produire, il faut que l’énergie
de ce dernier ( Eh ) soit égale à la différence d’énergie (
f
ifi
EEEE  ) entre le
niveau final d’énergie
f
E et le niveau initial d’énergie i E de l’électron ainsi excité. Si cette
énergie apportée de l’extérieur est suffisante, elle permet d’aller jusqu’à l’ionisation de
l’atome. Ainsi l’énergie nécessaire pour ioniser l’atome d’hydrogène depuis son état
fondamental vaut 13,6 eV.
Ce phénomène explique l’existence de raies d’absorption dans les atmosphères stellaires, par
exemple.