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Laser

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Dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués. Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle et d'une grande pureté spectrale.

Appareil fournissant un rayonnement lumineux directif et quasiment monochromatique grâce à une émission stimulée de radiation.

Le mot « laser » est l'acronyme de l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (« amplification de la lumière par émission stimulée de radiations »). Les lasers couvrent aujourd'hui toute la gamme des rayonnements électromagnétiques, des rayons X et ultraviolets aux ondes infrarouges et micrométriques (voir maser).

Principe de fonctionnement

Opt. Le laser consiste en un milieu amplificateur placé dans une cavité résonante qui fournit un rayonnement d'ondes cohérentes et monochromatiques par émission stimulée.

L'excitation du milieu permet d'obtenir l'inversion de population, occupation anormale de niveaux d'énergie élevés, qui favorise l'émission stimulée par rapport à l'émission aléatoire spontanée (dans des proportions décrites par les coefficients d'Einstein).

La cavité permet, en effet, de réfléchir au sein du milieu les photons émis, de manière à ce qu'ils provoquent à leur tour une émission stimulée (production de photons de même fréquence, de même phase et de même direction de propagation que ceux du rayonnement stimulateur). La longueur d'onde d'émission doit correspondre à un mode propre de la cavité (résonateur) pour que puisse s'y installer un système d'ondes stationnaires. Le gain de l'ensemble milieu amplificateur-cavité doit être supérieur à ses pertes (dues entre autres aux réflexions).

schémas d'un dispositif laser (crédit :  laboratoire Kastler Brosel )
schémas d'un dispositif laser (crédit : laboratoire Kastler Brosel )

L'excitation ou pompage s'obtient notamment grâce à des photons d'énergie adéquate (pompage optique dû à Kastler), par des courants ou décharges électriques (cas entre autres des diodes laser), ou par des réactions chimiques.

Le rendement d'un laser, rapport de la puissance optique délivrable sur la puissance fournie à l'amplificateur est de l'ordre de 0,01 à 30% (50 % dans le meilleur des cas).

Les lasers à impulsion font intervenir plusieurs modes qui interfèrent (battements).

Familles de laser

Les lasers sont classés en cinq grandes familles, selon la nature du milieu excité : lasers à solide, lasers à gaz, lasers à semi-conducteurs, lasers à liquide et lasers à électrons libres.

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