GENERALITES SUR LA TECHNOLOGIE LASER

En 1953, Charles Hard Townes, James Gordon et Hubert Zeiger réalisent un Maser à l’université de Columbia. Maser qui est l’acronyme de Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation. Il s’agissait alors d’un maser à ammoniac. Il existe maintenant deux types de maser : à ammoniac et à hydrogène. Ce dispositif a permis d’émettre un faisceau cohérent de micro-ondes. Ces microondes, émises par un maser, sont obtenues en augmentant artificiellement le nombre d’atomes émettant à une fréquence donnée. Cette augmentation s’obtient en excitant un milieu selon un principe analogue à celui du pompage optique utilisé dans le laser. Il fonctionne avec le principe énoncé par Einstein, c’est pourquoi il est l’ancêtre du laser. En 1960, obtention pour la première fois une émission laser au moyen d’un cristal de rubis par le physicien américain Théodore Maiman. Un an plus tard Ali Javan mit au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construisit le premier laser à colorant. Ironie de l’histoire, Townes, Bassov, Schawlow et Prokhorov reçurent un prix Nobel en 1964 pour leurs travaux en commun alors que Maiman, le véritable inventeur du laser, ne reçu aucun prix, car il ne travaillait pas dans un milieu académique.

Avant de comprendre le fonctionnement du laser, premièrement ; il est nécessaire d’introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d’énergie discret (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale: si on considère l’image selon laquelle les électrons orbitent autour du noyau, cela revient à dire qu’ils ne peuvent se trouver que sur certaines orbites bien précises. La connaissance du niveau où peuvent se trouver les électrons définit l’état de l’atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d’énergie avec un nombre entier ( , pouvant prendre les valeurs 1, 2,… L’état ( = 1 est donc l’état d’énergie la plus basse, correspondant à un électron sur « l’orbite » la plus proche du noyau. Ensuite, le principe de fonctionnement d’un laser est d’exciter les électrons d’un milieu, puis y déclenché l’émission de photons en cascade. Ces photons sont émis sous forme d’un rayon (caractéristique de la lumière laser). Le laser est fondamentalement un amplificateur de lumière. C’est pourquoi le dispositif du laser consiste en un réservoir d’électrons appelé milieu actif. Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux. Il est associé à une source excitante qui élève les électrons à des niveaux d’énergie supérieurs. Cette excitation du milieu actif est appelée « pompage ».

Dans un second temps, la lumière est injectée dans le milieu et provoque des collisions entre les photons et des électrons excités. Lors de ces collisions ; les électrons reviennent à leur niveau d’énergie initial et renvoient de nouveaux photons. Deux miroirs situés aux extrémités du laser se réfléchissent les photons émis, la lumière se densifiant à chaque parcours. L’un des deux miroirs est semi réfléchissant, ce qui permet à une fraction de la lumière d’être relâchée à chaque aller-retour. C’est ce processus dit « d’émission stimulée » et d’origine quantique qui amplifie la lumière. La lumière laser doit sa cohérence au fait que les photons du milieu naissent sur le passage d’autres photons qui sont en phase avec eux dans leur déplacement. De plus les photons obtenus par émission stimulée ont la même énergie et la même direction que les photons incidents, ce qui explique la pureté et la directivité du faisceau (les photons qui ne se déplacent pas dans l’axe des miroirs vont se perdre dans les parois opaques). Dans le cas de lasers à impulsions, il n’y a pas de miroir semi réfléchissant : le laser est équipé d’un obturateur qui libère le faisceau lorsque l’on commande le tir. Entre deux impulsions, il faut un certain temps pour que le milieu actif soit convenablement pompé. L’émission lumineuse d’un corps est due à une certaine diminution de l’énergie des éléments qui le composent, par exemple lors du passage d’électrons des orbites externes aux orbites internes d’un même atome.

Processus de conversion d’énergie

Les postulats de Bohr (1913) indiquent que l’énergie totale d’un atome » ne peut prendre que certaines valeurs discrètes, et qu’elle ne peut changer que lors de sauts quantiques » (quantum jumps) accompagnés, par exemple, de l’émission ou de l’absorption d’un photon. Cette conversion d’énergie particulière fait partie de la théorie d’Einstein (1917) des interactions entre matière et rayonnement électromagnétique. (a) Excitation indirecte des niveaux 1 et 2 ou pompage : Il est réalisé par apport d’énergie sous des formes diverses (lumineuse, électrique, chimique, collisions…), et souvent par l’intermédiaire des autres niveaux de l’atome.

Tous ces processus interviennent dans le milieu amplificateur d’un laser. L’émission stimulée (d), qui est la base de l’amplification, ne peut intervenir que si on excite suffisamment d’atomes dans le niveau 2 par le pompage (a), pour que le processus (d) soit prédominant par rapport à l’absorption (c). Nous verrons que ceci ne peut se produire que dans une situation d’inversion de population, c’est-a-dire quand la population du niveau 2 est supérieure à celle du niveau 1. L’émission spontanée (b) permet d’émettre le premier photon dans la cavité, qui sera ensuite amplifie par émission stimulée. La désexcitation non radiative (e) est souvent irréversible et efficace, ce qui peut être utile pour vider rapidement le niveau 1 ou pomper le niveau 2 à partir d’autres niveaux.