Le fonctionnement du laser

Le LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ou encore "amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement") est un générateur d’ondes électromagnétiques fonctionnant sur le principe de l’émission stimulée d’un rayonnement cohérent déterminé. Il permet d’obtenir une grande puissance énergétique très directive en un faisceau très fin.

Il existe une multitude de lasers qui suivent tous les mêmes principes et ont plus ou moins la même structure. Voici ci-dessous un schéma de l'oscillateur d'un laser qui est le générateur des ondes électromagnétiques :

Pompage optique

Pour s'exciter, les atomes ont besoin d'une énergie qu'ils absorbent. C'est le pompage optique. On envoit dans l'oscillateur de la lumière monochromatique, dont la fréquence correspond à une raie d'absorption de l'atome présent dans le milieu laser. Les atomes absorbent un photon d'énergie E= E2-E1 et deviennent excités ce qui conduit à une inversion de population : il y a plus d'atomes excités que d'atomes stables dans le milieu laser.

Emission stimulée

Une fois les atomes excités, il y a deux sortes d'intéractions :

l'émission spontanée : désexcitation naturelle se réalisant en libérant un photon de même énergie que celui qui a été absorbé mais dans une direction aléatoire.
l'émission stimulée : désexcitation provoquée par l'absorption d'un photon lorsque l'atome est déjà excité. L'atome libère alors deux photons indiscernables du photon absorbé qui ont même direction de propagation et de polarisation, même phase et même fréquence. Grâce au système de résonnance, ce processus se réalise en boucle, ce qui amplifie la lumière laser.

L'énergie d'un photon est définie en fonction de sa longueur d'onde :

Avec :

E , l'énergie du photon (en Joule) ;
h , la constante de Planck dont une valeur approchée est : h ≈ 6,3 x 10^-34
ν, la fréquence (en Hertz) de l'onde électromagnétique associée au photon considéré.

L'émission stimulée, découverte par Einstein est beaucoup plus efficace car elle permet de créer des photons complètement identiques et donc de produire une lumière cohérente. Cependant, à l'équilibre thermodynamique, elle est négligeable : il faut qu'il y ait inversion de population pour que ce dispositif fonctionne ; d'où l'intérêt du pompage optique.

Amplificateurs

On peut équiper un laser d'un ou plusieurs amplificateurs même s'ils ne sont pas indispensables au fonctionnement du laser. Ils permettent à la lumière laser d'acquérir une plus grande puissance.

En effet, ces amplificateurs sont composés d'un milieu laser sans miroirs. Ainsi le faisceau laser s'agrandit puis est focalisé par une lentille. Toute la puissance du faisceau se focalise en un point : la lumière laser est donc amplifiée.

Les caractéristiques de la lumière laser

D'après le principe de fonctionnement du laser, on peut comprendre pourquoi la lumière laser est un rayonnement unidirectionel cohérent et monochromatique et en déduire les avantages de cette caractéristique.

Les photons se reproduisant à l'identique grâce à l'émission stimulée, ils ont la même longueur d'onde et donc la même énergie. Ils ont également la même direction. Lorsqu'ils sont éjectés de l'oscillateur, la lumière laser se propage dans une même et unique direction: on peut dire que la lumière laser est unidirectionelle à quelques miliradians près.

De plus, les photons ayant la même longueur d'onde la lumière laser est un rayonnement monochromatique.

Les photons sont en phase dans l'oscillateur, la lumière laser est donc cohérente. Cela permet d'éviter les interférences.

Cette caractéristique d'unidirectionnalité est révolutionnaire et permet la focalisation de l'énergie en un point donné. Ceci est très apprécié, surtout en chirurgie réfractive car pour couper la cornée il faut être très précis et avoir une énergie suffisante, stable et reproductible.

On dit souvent que la lumière laser est unidirectionnelle mais elle ne l’est pas complètement : cela se démontre avec l’optique géométrique. C’est pour cela que lorsque l’on allume un pointeur laser sur un mur, ce n’est pas un point qui apparaît mais une tache. En effet il existe un angle de divergence du faisceau laser, extrêment petit qui se mesure en milliradians. Avec cet angle, on peut définir la distance jusqu'à laquelle on considère que le faisceau est droit : c'est la longueur de RAYLEIGH. Elle s'exprime de la façon suivante :

Zr en m

,angle de divergence du faisceau en radians

, longueur d'onde du laser en m