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 à E1 : c'est l'« émission spontanée » (fig. 1b). Lorsqu'il y a, sous E1, un ou plusieurs niveaux d'énergie plus faibles, l'émission spontanée de E1 se répartit entre ceux-ci et E0 (mais vers chacun avec une probabilité bien définie).

Interactions atome-lumière et pompage optique

Dessin : Interactions atome-lumière et pompage optique

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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En 1917, Einstein montra que devait exister, en plus des deux interactions précédentes (absorption et émission spontanée), une troisième, de probabilité égale à celle de l'absorption, et par laquelle un atome dans l'état E1, soumis à un rayonnement (photon) de fréquence ν telle que h × ν est précisément égal à (E1 — E0), va, sous cette influence, émettre un nouveau photon de même fréquence ν en retombant de E1 vers E0. Ce processus, qu'il baptisa « émission stimulée », diffère de l'émission spontanée : non seulement l'émission doit être provoquée par un premier photon (dit inducteur), mais encore le photon émis (dit induit), qui possède la même énergie (même fréquence) que le premier, aura également même phase et même direction (fig. 1c). Les deux photons (inducteur et induit) sortant de l'atome à l'issue de l'émission stimulée sont donc indiscernables, et on assiste à une véritable amplification (ici un doublement) de la lumière incidente qui, à l'intensité près, conserve toutes ses propriétés. Si, par exemple, les rayons incidents concouraient pour former une image, celle-ci subsistera, identique, mais avec une intensité accrue (d'où l'origine du terme laser : light amplification by stimulated emission of radiation).

Quantitativement, imaginons qu'un faisceau lumineux de fréquence ν telle que ν = (E1 — E0)/h traverse un milieu comportant N0 atomes dans l'état E0 et N1 atomes dans l'état E1 : certains des photons qui constituent le faisceau vont « heurter » des atomes dans l'état E0, et seront absorbés, affaiblissant ainsi le faisceau. En contrepartie, ces atomes, portés dans l'état E1, en retomberont en restituant un photon. Mais celui-ci, réémis dans une direction quelconque, sera perdu pour le faisceau. En revanche, d'autres photons heurteront des atomes dans l'état E1, provoquant leur retombée vers E0 par émission stimulée de nouveaux photons de mêmes caractéristiques. Ces photons vont, au contraire, renforcer le faisceau initial.

On voit qu'il n'y aura amplification que si N1 est supérieur à N0. Dans la nature, ce n'est jamais le cas, car les systèmes « naturels » sont dans une position stable et occupent donc toujours, en priorité, les états d'énergie minimale.

On doit au physicien français Alfred Kastler d'avoir imaginé, en 1949-1950, une méthode, le « pompage optique », qui permet de réaliser cette condition. Cette méthode fait appel à des atomes dont les premiers niveaux sont tels (fig. 1d) que la probabilité de retombée de E2 vers E1 soit plus grande que celle de retomber de E1 vers E0. Un atome dans E2 « retombera » ainsi plus rapidement vers E1 qu'il ne retombera ensuite de E1 à E0.

Si un grand nombre de tels atomes sont intensément éclairés par des photons d'énergie (E2 — E0), les « échanges » par absorptions et émissions stimulées entre E0 et E2 vont excéder largement les « fuites » par émission spontanée de E2 ; N2 et N0 vont ainsi, progressivement, en venir à presque s'égaliser. Pendant ce temps, ceux des atomes initialement dans E2 et que l'émission spontanée à fait retomber en E1 vont s'y trouver, en quelque sorte, « hors d'atteinte » des photons d'éclairage, dont l'énergie ne correspond ni à (E2 — E1) ni à (E1 — E0).

Dans ces conditions, s'il n'y a pas trop de « fuites » de E1 par émission spontanée (c'est-à-dire si t1 est assez grand), le nombre des atomes dans E1 va augmenter et peut en venir à excéder celui des atomes retombés dans l'état E0 : on a alors réalisé la condition N1 > N0, et le milieu devient amplificateur pour la lumière de fréquence ν telle que ν = (E1 — E0)/h. C'est le « pompage à trois niveaux ». En effet, très schématiquement, on peut imaginer que les photons d'éclairage « pompent » les atomes du niveau fondamental vers les niveaux supérieurs, d'où le nom donné à cette méthode.

Une variante encore plus favorable du pompage optique est le « pompage à quatre niveaux » lorsqu'il existe, en plus, un niveau E3 situé juste au-dessus du niveau fondamental E0. E3 étant normalement presque vide (fig. 1e), il est bien plus facile de réaliser la condition N1 > N3 que la condition N1 > N0. Cette configuration conduit à de très bons amplificateurs, à la fréquence ν = (E1 — E3)/h.

Le pompage optique est très utilisé dans les milieux solides ou liquides, où seule la lumière permet d'atteindre les atomes à pomper. Ces atomes seront donc éclairés par des lampes très puissantes (arc), continues ou impulsionnelles. Celles-ci rayonnent des flux importants du visible au proche ultraviolet (la longueur d'onde de pompage doit évidemment être plus courte que celle de l'émission [...]

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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

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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 08 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lasers/