1) Principe du laser
1 : Dispositif d’excitation
2 : Milieu actif (solide)
3 : Cavité de résonance
Le mot laser signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ce qui se traduit en français par amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.
Nous savons que la lumière du Soleil nous apparaît blanche car elle est composée de plusieurs ondes lumineuses de couleurs différentes que nous pouvons voir dans l'arc-en-ciel : le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet. Ces ondes se déplacent dans toutes les directions en même temps.
À la différence de la lumière du Soleil, un laser est un faisceau lumineux très fin constitué d'une seule onde lumineuse de couleur bien définie. Les ondes qui constituent cette lumière se déplacent toutes dans la même direction.
Figure 1 : La longueur d’onde
L'axe horizontal (x) représente la distance à la source. Cette courbe sinusoïdale se déplace le long de l'axe x à la vitesse de la lumière. Donc, pour chaque point de cet axe le champ varie périodiquement comme ci-dessous figure 2.
La lumière est un phénomène périodique qui peut être représenté par une fonction sinusoïdale du temps.
Figure 2
Cette figure représente le champ électrique que subit un point éclairé par une source lumineuse.
E représente l'amplitude du champ électrique et t désigne le temps. T est la période du signal, cela signifie que le champ électromagnétique reprend la même valeur au bout du temps T.
Cette vitesse se nomme la célérité de la lumière, dans le vide elle vaut environ 300 000 Kilomètres par seconde. Le mot célérité désigne la vitesse de propagation d'une onde, alors que le mot vitesse est employé lorsqu'il y a un déplacement de matière. (figure 2)
Ainsi, à chaque instant, nous voyons que le champ électrique E prend une valeur maximale en des lieux régulièrement espacés. La distance entre deux maximums consécutifs est la longueur d'onde.
Pour désigner la longueur d'onde, on utilise habituellement la lettre grecque λ (lambda).
Les interférences lumineuses sont les combinaisons entre des ondes lumineuses.
Lorsque plusieurs ondes lumineuses arrivent en même temps sur un même point leurs amplitudes s'additionnent comme l'illustre la figure 3. Les deux ondes A et B (de même amplitude) en se combinant forment l'onde C qui a une amplitude deux fois plus grande.
Figure 3 : Interférence de deux ondes de même amplitude et de même phase
Dans ce cas les deux ondes incidentes sont en phase car leurs maximums (par exemple) interviennent au même moment.
La figure 4 montre la somme de deux ondes d'amplitudes égales en opposition de phase, c'est à dire que le maximum de l'une intervient en même temps que le minimum de l'autre. Les deux ondes s'annulent mutuellement.
Figure 4 : Interférence de deux ondes de même amplitude et en opposition de phase
Dans le cas général la situation est intermédiaire, les amplitudes sont différentes et la phase est quelconque comme l'illustre la figure 5.
Figure 5 : Interférence de deux ondes d'amplitude et de phase quelconques.
Pour le laser, il faut que les ondes électromagnétiques soient en phase, pour que le rayon ait la plus grande amplitude et que leurs effets s’ajoutent
Le laser est composé de deux parties majeures : le dispositif d’excitation (1), et le milieu actif (2).
L'oscillateur est une sorte de boîte en forme de cylindre allongé avec, à chacune de ses extrémités, un miroir.
Tout d'abord, une source d’énergie sert de « détonateur », permettant l’excitation d'un atome à l'état gazeux. Une fois excités, les électrons se déplacent sur la couche externe de l’atome ; ils sont dans un état instable. C’est la phase appelée pompage.
Dès lors, les électrons excités, situés sur la couche externe de l’atome vont peu à peu revenir vers la couche de plus basse énergie. L’atome va émettre alors un photon, qui va soit traverser le milieu actif (2), partiellement transparent et ainsi produire le faisceau laser, soit toucher un autre atome, reproduisant ainsi cette réaction. C’est la phase appelée émission spontanée, car les électrons redeviennent stable par eux-mêmes.
Un atome peut émettre spontanément un photon quand il passe d'un niveau d'énergie Ep à un niveau d'énergie inférieur En. L'énergie quantifiée de ce proton est : E = valeur absolue de (Ep-En)= h*ν. Cette émission a lieu de manière aléatoire, dans n'importe quelle direction de l'espace.
Ce qui nous concerne plus pour le laser est l'émission stimulée. Lorsqu'un photon atteint un atome et qu'il passe d'un état de niveau d'énergie Ep à un état du niveau En alors celui-ci émet 2 photons en phase et de pulsation identique à celle de l'émission spontanée. C'est ce dernier phénomène qui permet l'amplification de la lumière qui conduit à l'effet laser. Ce phénomène est montré ci-dessous.