Principe de laser
L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Pointeur laser est l'acronyme anglais de " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation " (en français, " amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement "). La plupart des amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser. Une source laser est une source de lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l'effet laser. Par extension, on appelle laser une source de lumière basée sur l'effet laser. Descendant du maser, il s'est d'abord appelé maser optique.
Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, encore appelée résonateur, généralement constituée de deux miroirs, dont au moins l'un des deux est partiellement réfléchissant, c'est-à-dire qu'une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité laser. Avec certaines longues cavités, la lumière laser peut être extrêmement directionnelle. Les caractéristiques géométriques de cet ensemble imposent que le rayonnement émis soit d'une grande pureté spectrale, c’est-à-dire temporellement cohérent. Le spectre du rayonnement contient en effet un ensemble discret de raies très fines, à des longueurs d'ondes définies par la cavité et le milieu amplificateur. La finesse de ces raies est cependant limitée par la stabilité de la cavité et par l'émission spontanée au sein de l'amplificateur (bruit quantique). Différentes techniques permettent d'obtenir une émission autour d'une seule longueur d'onde.
Au XXIe siècle, le laser astronomie est plus généralement vu comme une source possible pour tout rayonnement électromagnétique, dont fait partie la lumière visible. Les longueurs d'ondes concernées étaient d'abord les micro-ondes (maser), puis elles se sont étendues aux domaines de l'infrarouge, du visible, de l'ultraviolet et commencent même à s'appliquer aux rayons X.
Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les " couches "). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l'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.
Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron, pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n, pouvant prendre les valeurs 1, 2, ... L'état n = 1 est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'" orbite " la plus proche du noyau.
Il n'est pas indispensable de quantifier la lumière (c'est-à-dire de parler de photon) pour expliquer qualitativement le fonctionnement d'un laser, même si cela s'avère indispensable pour expliquer le concept d'émission spontanée. Nous parlerons quand même de photons lorsque cela fournit une image facilitant la compréhension des concepts évoqués.
Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l' absorption, l' émission stimulée et l' émission spontanée.
Un pointeur laser vert 3000mw est fondamentalement un amplificateur de lumière (fonctionnant grâce à l'émission stimulée) dont la sortie est branchée sur l'entrée.
L'amplificateur est un ensemble d'atomes que l'on " pompe " dans un état excité n', au moyen d'une source d'énergie extérieure (par exemple avec un autre laser...). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n, en émettant des photons de fréquence autour de ωnn'. Ainsi un rayonnement de fréquence \omega\simeq\omega_{nn'} passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d'émission stimulée. Notons qu'il peut également être absorbé : il n'y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état n' (susceptible d'émettre) que dans l'état n (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une " inversion de population ".
Le rayonnement sortant de cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui constituent une " cavité " (où la lumière est piégée). Bien sûr, un dispositif (comme un miroir partiellement réfléchissant) permet d'extraire de la lumière de ce système, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis réamplifié, etc. On peut ainsi construire un rayonnement extrêmement important, même à partir d'un rayonnement extrêmement faible (comme un seul photon émis spontanément dans la cavité).
On peut comparer ce processus à l'effet Larsen, qui se produit lorsqu'un amplificateur (la chaîne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) " branchée " sur l'entrée (le micro). Alors un bruit très faible capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, réamplifié, et ainsi de suite... Bien sûr l'intensité du son ne croît pas indéfiniment (tout comme l'intensité de la lumière dans un laser) : l'amplificateur a des limites (il existe un volume maximum du son pouvant être produit). Notons que la fréquence du son émise par ce procédé est bien particulière, et dépend de l'amplificateur, de la distance entre le haut-parleur et le micro : il en est de même pour un laser.
Accès articles connexes ：http://blogs.ados.fr/tomxu100/laser-puissance-aquarium-4903419.html
- ۹۵/۰۷/۲۰