Le principe de fonctionnement d'un laser (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) repose sur le phénomène d'émission stimulée de lumière. Grâce à une conception et une structure précises, les lasers génèrent des faisceaux d'une grande cohérence, monochromaticité et luminosité. Les lasers sont largement utilisés dans les technologies modernes, notamment dans les domaines des communications, de la médecine, de la production industrielle, de la métrologie et de la recherche scientifique. Leur rendement élevé et leur contrôle précis en font un élément central de nombreuses technologies. Vous trouverez ci-dessous une explication détaillée du principe de fonctionnement des lasers et des mécanismes des différents types de lasers.
1. Émission stimulée
Émission stimuléeIl s'agit du principe fondamental de la génération laser, proposé pour la première fois par Einstein en 1917. Ce phénomène décrit la production de photons plus cohérents grâce à l'interaction entre la lumière et la matière à l'état excité. Pour mieux comprendre l'émission stimulée, commençons par l'émission spontanée :
Émission spontanéeDans les atomes, les molécules et autres particules microscopiques, les électrons peuvent absorber de l'énergie externe (électrique ou optique, par exemple) et passer à un niveau d'énergie supérieur, appelé état excité. Cependant, les électrons à l'état excité sont instables et retournent à un niveau d'énergie inférieur, appelé état fondamental, après un court laps de temps. Au cours de ce processus, l'électron émet un photon : c'est l'émission spontanée. Ces photons sont aléatoires en termes de fréquence, de phase et de direction, et sont donc dépourvus de cohérence.
Émission stimuléeLe principe de l'émission stimulée repose sur la rencontre, entre un électron excité et un photon d'énergie équivalente à son énergie de transition, d'un photon à l'électron, l'incitant à retourner à son état fondamental tout en émettant un nouveau photon. Ce nouveau photon est identique au photon initial en termes de fréquence, de phase et de direction de propagation, produisant ainsi une lumière cohérente. Ce phénomène amplifie considérablement le nombre et l'énergie des photons et constitue le mécanisme fondamental des lasers.
Effet de rétroaction positive de l'émission stimuléeDans la conception des lasers, le processus d'émission stimulée est répété de nombreuses fois, et cet effet de rétroaction positive permet d'accroître exponentiellement le nombre de photons. Grâce à une cavité résonante, la cohérence des photons est maintenue et l'intensité du faisceau lumineux augmente continuellement.
2. Gain moyen
Legain moyenLe milieu amplificateur est le matériau central du laser qui détermine l'amplification des photons et la puissance de sortie du laser. Il constitue la base physique de l'émission stimulée et ses propriétés déterminent la fréquence, la longueur d'onde et la puissance de sortie du laser. Le type et les caractéristiques du milieu amplificateur influent directement sur l'application et les performances du laser.
Mécanisme d'excitationLes électrons du milieu amplificateur doivent être excités à un niveau d'énergie supérieur par une source d'énergie externe. Ce processus est généralement réalisé par des systèmes d'alimentation en énergie externes. Les mécanismes d'excitation courants comprennent :
Pompage électriqueExciter les électrons du milieu amplificateur en appliquant un courant électrique.
Pompage optiqueExciter le milieu avec une source lumineuse (telle qu'une lampe flash ou un autre laser).
Système de niveaux d'énergieLes électrons du milieu amplificateur sont généralement répartis sur des niveaux d'énergie spécifiques. Les plus courants sont :systèmes à deux niveauxetsystèmes à quatre niveauxDans un système simple à deux niveaux, les électrons passent de l'état fondamental à un état excité, puis retournent à l'état fondamental par émission stimulée. Dans un système à quatre niveaux, les électrons subissent des transitions plus complexes entre différents niveaux d'énergie, ce qui conduit souvent à un rendement plus élevé.
Types de médias à gain:
Gain de gaz moyenPar exemple, les lasers hélium-néon (He-Ne). Les milieux amplificateurs gazeux sont connus pour leur puissance de sortie stable et leur longueur d'onde fixe, et sont largement utilisés comme sources lumineuses standard dans les laboratoires.
Gain de liquide moyenPar exemple, les lasers à colorant. Les molécules de colorant possèdent de bonnes propriétés d'excitation sur différentes longueurs d'onde, ce qui les rend idéales pour les lasers accordables.
Gain solide moyenPar exemple, les lasers Nd (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme). Ces lasers sont très efficaces et puissants, et sont largement utilisés dans la découpe industrielle, le soudage et les applications médicales.
milieu de gain semi-conducteurPar exemple, les matériaux à base d'arséniure de gallium (GaAs) sont largement utilisés dans les dispositifs de communication et optoélectroniques tels que les diodes laser.
3. Cavité résonante
Lecavité résonanteIl s'agit d'un composant structurel du laser utilisé pour la rétroaction et l'amplification. Sa fonction principale est d'augmenter le nombre de photons produits par émission stimulée en les réfléchissant et en les amplifiant à l'intérieur de la cavité, générant ainsi un faisceau laser puissant et focalisé.
Structure de la cavité du résonateurIl se compose généralement de deux miroirs parallèles. L'un est un miroir totalement réfléchissant, appelé miroir de réflexion.rétroviseuret l'autre est un miroir partiellement réfléchissant, connu sous le nom demiroir de sortieLes photons se réfléchissent à plusieurs reprises à l'intérieur de la cavité et sont amplifiés par interaction avec le milieu amplificateur.
Condition de résonanceLa conception de la cavité résonante doit respecter certaines conditions, notamment garantir la formation d'ondes stationnaires par les photons à l'intérieur de la cavité. Cela implique que la longueur de la cavité soit un multiple de la longueur d'onde du laser. Seules les ondes lumineuses répondant à ces conditions peuvent être efficacement amplifiées à l'intérieur de la cavité.
Faisceau de sortieLe miroir partiellement réfléchissant laisse passer une partie du faisceau lumineux amplifié, formant ainsi le faisceau de sortie du laser. Ce faisceau présente une directivité, une cohérence et une monochromaticité élevées..
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Date de publication : 18 septembre 2024