Dossier Laser
Le laser, comment ça marche
Le laser tire profit d’un effet appelé «émission stimulée» dont l’existence à été théoriquement prédite par Albert Einstein au début du XXe siècle. Explications
La première condition pour fabriquer un laser, c’est de disposer continuellement d’une population d’atomes excités plus importante que celle d’atomes au repos. En termes physiques, il s’agit de sortir de l’état d’équilibre thermodynamique. Et en termes techniques, il s’agit de «pomper» le milieu actif dans lequel on a envie de créer un rayon laser afin de créer une «inversion de population».
Théodore Maiman, l’inventeur du premier laser en 1960, a utilisé pour ce faire une lampe flash hélicoïdale dont une partie des photons est absorbée par les atomes de chrome contenu dans le cristal de rubis. L’idée vient en réalité de son assistant, Charles Asawa, qui cherchait une alternative au projecteur de cinéma dont les résultats n’étaient pas concluants.
Aujourd’hui, le pompage d’un laser se fait généralement à l’aide d’un autre laser dont la longueur d’onde correspond à un maximum dans la courbe d’absorption du milieu actif.
Ensuite, pour obtenir une émission stimulée, il faut des photons ayant exactement la bonne longueur d’onde. Les premiers d’entre eux sont naturellement fournis par l’émission spontanée. En traversant le milieu actif, correctement excité, ils déclenchent les premières émissions stimulées. Mais pour obtenir un faisceau suffisamment intense, il faut augmenter considérablement leur nombre. La solution, une idée qui vient de Charles Townes, chercheur à la Columbia University à New York, est de disposer deux miroirs placés face à face et espacés d’une distance déterminée pour obtenir la longueur d’onde recherchée. Du coup, tous les photons issus de l’émission stimulée parcourent plusieurs fois la cavité dans toute sa longueur tout en stimulant encore plus d’émission de photons. L’amplification devient considérable, tous les photons ont la même énergie et la même phase et, en plus, la géométrie du dispositif permet de sélectionner ceux dont la course est parfaitement perpendiculaire aux miroirs. Le rayon laser ainsi produit est monochromatique, cohérent et extrêmement directionnel.
L’interaction du troisième typeL’absorption et l’émission spontanée de photons En règle générale, les atomes interagissent avec la lumière de deux manières. La première est l’absorption. Un des électrons de l’atome absorbe un grain de lumière (photon) et l’énergie ainsi gagnée le fait grimper dans une orbitale plus énergétique. On dit alors que l’atome se trouve dans un état excité. La seconde manière est l’émission spontanée. Dans ce cas, un atome excité, au bout d’un moment, retombe dans son état fondamental. Autrement dit, l’électron qui était dans une orbitale d’énergie élevée, redescend dans un état inférieur et émet un photon, dont l’énergie correspond exactement à la différence d’énergie entre les deux orbitales. Ce phénomène d’émission spontanée (que l’on retrouve dans la fluorescence par exemple) est totalement incohérent. Ce qui se passe dans un atome n’influence pas ce qui se déroule chez son voisin. Contrairement à... L’émission stimulée  En potassant les équations de la mécanique quantique, en 1916, Albert Einstein s’est rendu compte que la relation entre rayonnement et matière doit mettre en jeu une troisième forme d’interaction, les deux premières ne suffisant pas à rendre compte de la loi de Planck (celle qui introduit le concept de quantum d’énergie et explique le rayonnement dit de «corps noir»). Pour l’illustre savant, prix Nobel de physique en 1921, il doit exister, en plus de l’émission spontanée, un phénomène appelé l’émission stimulée. Albert Einstein montre ainsi que l’émission d’un photon par un atome qui se désexcite peut être induite par un autre photon qui a exactement la même énergie. L’arrivée du premier stimule l’émission du deuxième. Le plus fort, c’est que les deux grains de lumière possèdent non seulement la même longueur d’onde (énergie), mais aussi la même direction et la même phase. Cela signifie que les amplitudes s’additionnent. Résultat: si un photon entre dans le système et si deux identiques en sortent, cela veut dire qu’il y a amplification de la lumière. Il suffit ensuite de concevoir un dispositif ingénieux capable de reproduire ce phénomène un très grand nombre de fois afin de faire croître proportionnellement l’amplification. Le faisceau finalement obtenu est alors très pur du point de vue de la couleur, très directionnel – il ne diverge que très peu sur de grandes distances –, et très intense. |