La génération des lasers

La génération des lasers
La génération de lasers a été proposée par Einstein en 1916 avec sa théorie de l'émission spontanée et stimulée. Cette théorie constitue le fondement physique des systèmes laser modernes. L'interaction entre les photons et les atomes peut donner lieu à trois processus de transition : l'absorption stimulée, l'émission spontanée et l'émission stimulée. Tant que l'émission stimulée est soutenue et stable, on obtient des lasers. C'est pourquoi des dispositifs spécifiques – les lasers – doivent être fabriqués. Un laser est généralement composé de trois parties principales : le fluide de travail, le dispositif d'excitation et le résonateur optique.

1. Substance active

La substance d'un laser capable de générer de la lumière laser est appelée fluide de travail. Dans des conditions normales, la distribution des numéros atomiques dans ce fluide à chaque niveau d'énergie suit une loi normale. Le nombre d'atomes aux niveaux d'énergie inférieurs est toujours supérieur à celui des niveaux d'énergie supérieurs. Par conséquent, lorsque la lumière traverse le fluide luminescent à l'état normal, l'absorption est prédominante et la lumière s'affaiblit. Pour amplifier la lumière après son passage à travers le fluide luminescent, il est nécessaire de rendre l'émission stimulée prédominante. Dans ce cas, la distribution est inversée par rapport à la distribution normale ; on parle alors d'inversion du nombre de particules.
2. Dispositif d'excitation
Le dispositif d'excitation a pour fonction d'exciter les atomes d'un niveau d'énergie inférieur vers un niveau d'énergie supérieur, permettant ainsi à la substance active d'atteindre une inversion du nombre de particules. Les niveaux d'énergie de la substance comprennent l'état fondamental, l'état excité et un état métastable. L'état métastable est moins stable que l'état fondamental, mais beaucoup plus stable que l'état excité. De ce fait, les atomes peuvent demeurer relativement longtemps dans l'état métastable. Par exemple, les ions chrome (Cr³⁺) du rubis possèdent un état métastable dont la durée de vie est de l'ordre de 10⁻³ secondes. Après l'excitation de la substance active et l'obtention de l'inversion du nombre de particules, les photons émis par rayonnement spontané présentent initialement des directions de propagation différentes, ce qui entraîne d'importantes pertes par absorption et empêche la génération d'un faisceau laser stable. Afin de permettre au rayonnement stimulé de se maintenir dans le volume limité de la substance active, un résonateur optique est nécessaire pour sélectionner et amplifier la lumière.
3. Résonateur optique
Il s'agit d'une paire de miroirs réfléchissants parallèles, installés aux deux extrémités du fluide de travail, perpendiculairement à l'axe principal. L'une des extrémités est un miroir à réflexion totale (taux de réflexion de 100 %), et l'autre extrémité est un miroir semi-transparent et semi-réfléchissant (taux de réflexion de 90 % à 99 %).
Les fonctions du résonateur sont les suivantes : ① générer et maintenir l’amplification optique ; ② sélectionner la direction de la lumière émise ; ③ sélectionner la longueur d’onde de la lumière émise. Pour un fluide donné, la longueur d’onde de la lumière émise n’est pas unique en raison de divers facteurs, et le spectre présente une certaine largeur. Le résonateur permet de sélectionner la fréquence, améliorant ainsi la monochromaticité du laser.