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 série de conceptions et de structures précises, les lasers génèrent des faisceaux à cohérence, monochromaticité et luminosité élevées. Les lasers sont largement utilisés dans les technologies modernes, notamment dans des domaines tels que les communications, la médecine, la fabrication, la mesure et la recherche scientifique. Leur rendement élevé et leur contrôle précis en font un composant essentiel 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 stimuléeL'émission stimulée est le principe fondamental de la génération laser, proposé pour la première fois par Einstein en 1917. Ce phénomène décrit la production de photons plus cohérents par l'interaction entre la lumière et la matière excitée. Pour mieux comprendre l'émission stimulée, commençons par l'émission spontanée :
Émission spontanéeDans les atomes, les molécules ou autres particules microscopiques, les électrons peuvent absorber de l'énergie externe (comme l'énergie électrique ou optique) et passer à un niveau d'énergie supérieur, appelé état excité. Cependant, les électrons à l'état excité sont instables et finissent par revenir à un niveau d'énergie inférieur, appelé état fondamental, après une courte période. Au cours de ce processus, l'électron libère un photon, appelé émission spontanée. Ces photons sont aléatoires en termes de fréquence, de phase et de direction, et manquent donc de cohérence.
Émission stimulée:La clé de l'émission stimulée réside dans le fait que lorsqu'un électron excité rencontre un photon dont l'énergie correspond à son énergie de transition, ce photon peut inciter l'électron à revenir à l'état fondamental tout en libérant un nouveau photon. Ce nouveau photon est identique au photon d'origine en termes de fréquence, de phase et de direction de propagation, ce qui produit une lumière cohérente. Ce phénomène amplifie considérablement le nombre et l'énergie des photons et constitue le mécanisme central des lasers.
Effet de rétroaction positive de l'émission stimuléeLors de la conception des lasers, le processus d'émission stimulée est répété plusieurs fois, ce qui permet d'augmenter de manière exponentielle le nombre de photons. Grâce à une cavité résonante, la cohérence des photons est maintenue et l'intensité du faisceau lumineux est continuellement augmentée.
2. Gain moyen
Legain moyenLe milieu amplificateur est le matériau central du laser qui détermine l'amplification des photons et la puissance de sortie. 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 influencent directement 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 assuré par des systèmes d'alimentation externe. Les mécanismes d'excitation courants incluent :
Pompage électrique:Exciter les électrons dans le milieu amplificateur en appliquant un courant électrique.
Pompage optique:Exciter le milieu avec une source lumineuse (comme une lampe flash ou un autre laser).
Système de niveaux d'énergie:Les électrons du milieu amplificateur sont généralement répartis selon des niveaux d'énergie spécifiques. Les plus courants sontsystèmes à deux niveauxetsystèmes à quatre niveauxDans un système simple à deux niveaux, les électrons passent de l'état fondamental à l'état excité, puis y retournent par émission stimulée. Dans un système à quatre niveaux, les électrons subissent des transitions plus complexes entre différents niveaux d'énergie, ce qui se traduit souvent par une meilleure efficacité.
Types de supports de gain:
milieu à gain de gaz:Par exemple, les lasers hélium-néon (He-Ne). Les milieux à gain gazeux sont connus pour leur rendement stable et leur longueur d'onde fixe, et sont largement utilisés comme sources lumineuses standard en laboratoire.
Milieu de gain liquide:Par exemple, les lasers à colorant. Les molécules de colorant présentent de bonnes propriétés d'excitation sur différentes longueurs d'onde, ce qui les rend idéales pour les lasers accordables.
Milieu à gain solidePar exemple, les lasers Nd (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme). Ces lasers sont très efficaces et puissants et sont largement utilisés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et médicales.
Milieu de gain semi-conducteur:Par 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 du résonateur
Lecavité résonanteComposant 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 une sortie laser puissante et focalisée.
Structure de la cavité du résonateur: Il est généralement constitué de deux miroirs parallèles. L'un est un miroir entièrement réfléchissant, appelérétroviseur, et l'autre est un miroir partiellement réfléchissant, connu sous le nom demiroir de sortieLes photons se réfléchissent dans les deux sens dans la cavité et sont amplifiés par interaction avec le milieu de gain.
Condition de résonanceLa conception de la cavité du résonateur doit respecter certaines conditions, notamment garantir que les photons forment des ondes stationnaires à l'intérieur de la cavité. Cela nécessite 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