LASERS

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Les fondements physiques

Émission stimulée et amplification de lumière

Le laser met en œuvre l'« émission stimulée » de rayonnement, phénomène prédit par Albert Einstein, dès 1917, pour expliquer l'émission spectrale des corps (cf. encadré Histoire de la technique Laser).

On sait que les atomes, qui constituent la matière, sont formés d'un noyau et d'électrons. Ces derniers, en mouvement autour du noyau, ne peuvent occuper que des orbites bien déterminées, caractéristiques de l'atome. Chacune de ces configurations possibles de l'ensemble noyau-électrons est un « état » de l'atome. Dans chaque état, l'ensemble noyau-électrons possède une énergie définie, celle qu'il aurait fallu fournir pour constituer l'atome à partir de ses composants, initialement séparés.

Le nombre des états étant limité, les valeurs d'énergie possibles le sont aussi : ce sont les « niveaux d'énergie » ou, simplement, les « niveaux » de l'atome considéré, notés E0, E1, E2, etc.

L'état E0, dans lequel les électrons sont le plus près possible du noyau, correspond au niveau d'énergie minimale. De ce fait, il est parfaitement stable : c'est l'état « fondamental ». Les états d'énergie supérieure E1, E2, etc., sont dits « excités ». Dans chacun d'eux, l'atome ne peut se maintenir qu'un certain temps : sa « durée de vie » (dans cet état) est notée t1, t2, etc.

Un atome peut passer de l'état E0 à l'état E1, et ainsi de suite, s'il reçoit de l'extérieur l'énergie (E E0) nécessaire, par exemple sous la forme d'un photon de fréquence ν telle que : h × ν = E1 — E0, où h est la constante de Planck. C'est par ce mécanisme que les atomes « absorbent » la lumière (fig. 1a). Or l'état E1, on l'a vu, n'est pas stable : après un temps très court (t1), l'électron regagne l'orbite E0 en restituant l'énergie (E1 — E0), restitution qui peut s'effectuer, par exemple, par l'émission d'un photon de même fréquence ν que celle qui avait provoqué le passage de E0 [...]

Interactions atome-lumière et pompage optique

Dessin : Interactions atome-lumière et pompage optique

Dessin

Les interactions atome-lumière (a, b et c) et le pompage optique (d et e) [E : niveau d'énergie ; N : population d'atomes sur ce niveau]. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Interactions atome-lumière et pompage optique

Interactions atome-lumière et pompage optique
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Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon

Laser solide Nd-YAG et laser à gaz hélium-néon
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Laser semiconducteur

Laser semiconducteur
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Lasers : caractéristiques

Lasers : caractéristiques
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Écrit par :

  • : professeur à la faculté de médecine, université de Paris-XI, service d'explorations fonctionnelles cardio-vasculaires et respiratoires, hôpital de Bicêtre
  • : ingénieur, École polytechnique, docteur ès sciences

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Pour citer l’article

Yves LECARPENTIER, Alain ORSZAG, « LASERS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 06 mai 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lasers/