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Le principe du laser

Dossier - Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes
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On trouve aujourd’hui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans l’industrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens. Il existe autant de types de lasers que d’applications : continus ou impulsionnels, de toutes les couleurs, avec des longueurs d’ondes allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, produits dans des gaz, des liquides, des cristaux, des semiconducteurs…

  
DossiersLes lasers de puissance à impulsions ultracourtes
 

Avant de décrire plus particulièrement les lasers à impulsions ultrabrèves, revenons rapidement sur le principe de fonctionnement de tous les lasers.

1 - Un peu de physique

Le principe physique du laser a été décrit en 1917 par Einstein, il repose sur trois phénomètes physiques qui décrivent l'interaction d'un atome avec la lumière.

- l'absorption : un atome qui reçoit un photon de longueur d'onde adéquate, peut l'absorber. Il est alors dans un «  état excité ».
- l'émission spontanée : l'atome excité peut revenir dans son état initial, appelé « état fondamental », en laissant partir un photon de même longueur d'onde que celui qu'il avait absorbé pour passer dans l'état excité.
- l'émission stimulée : lorsqu'un atome excité reçoit un photon dont la longueur d'onde aurait permis de l'exciter s'il avait été dans son état fondamental, ce photon peut « déclencher » (on dit « stimuler ») la désexcitation de l'atome. L'atome va alors émettre un deuxième photon, de même longueur d'onde que celui qu'il a reçu, mais aussi dans la même direction et avec la même phase que le premier. L'atome excité joue alors le rôle de « photocopieuse à photons ». La figure 1.1 ci-dessous illustre ce mécanisme.

Figure 1.1. Les processus physiques qui sous-tendent le laser. De gauche à droite : excitation d’un atome par absorption d’un photon, désexcitation d’un atome par émission spontanée d’un photon, désexcitation d’un atome par émission stimulée d’un photon .

2 - Construire un laser

L'effet laser repose sur l'émission spontanée. Imaginons un matériau, le milieu amplificateur, où les atomes sont pour la plupart dans un état excité. Tôt ou tard, un atome va émettre un photon par émission spontanée, et ce photon va entraîner une cascade d'émissions stimulées qui vont le « photocopier » un grand nombre de fois, jusqu'à atteindre une grande puissance : le faisceau laser est là. (Figure 1.2). Pour assurer une émission dans la direction choisie, et augmenter l'effet de l'émission stimulée, on place le milieu amplificateur entre deux miroirs de manière à ce que la lumière fasse plusieurs allers-retours avant d'être émise : grâce à cette cavité optique, l'amplification gagne en efficacité.

Figure 1.2. Amplification de photons. Les points rouges représentent les atomes excités

La variété des lasers provient de la variété des milieux amplificateurs, mais aussi des techniques utilisées pour y exciter les atomes : avec des décharges électriques, une lampe, un autre laser, une réaction chimique...