Laser physique envers

Les ondes sonores se fanent, des vagues d'eau refluent, les ondes lumineuses sont dissipées par un mur. L'absorption des ondes est un phénomène très fréquent. Mais ont récemment rendu compte que les physiciens étonnants de nouvelles possibilités sont ouvertes, lorsque cette perte d'énergie, plutôt que d'être considéré comme une nuisance ennuyeux, est effectivement considéré comme un effet désiré. À l'Université de Technologie de Vienne, un système de deux lasers couplés a été créé, dans lequel la vague dissipation conduit à un comportement tout à fait contraire à l'intuition: l'énergie supplémentaire peut éteindre; une réduction de l'énergie peut allumer. De cette façon, les circuits logiques peuvent être construits en utilisant la lumière. L'expérience a été présentée dans la revue Nature Communications.

Lasers standard et paradoxales Lasers

«Habituellement, il existe une relation simple entre la quantité d'énergie qui est pompée dans un laser puissant 30000mw et la luminosité du faisceau émis par celui-ci», explique le professeur Stefan Rotter (TU Vienne). "Si l'alimentation en énergie est trop petite, rien ne se passe. Une fois que le seuil critique est atteint, le laser commence à émettre de la lumière, et plus l'énergie est mis en, le plus lumineux du faisceau laser arrive."

Mais les choses ne sont pas toujours aussi simple que cela. Lorsque le couplage de deux petits lasers circulaires à un système commun, l'équilibre délicat de gain d'énergie et la perte conduit à des effets physiques intrigantes. Deux lasers, qui émettent la lumière individuellement, peuvent passer les uns les autres, si elles sont couplées. Plus d'énergie ne conduit pas à plus de lumière, mais pour terminer l'obscurité. Inversement, une réduction de l'approvisionnement en énergie peut allumer la lumière.

«Nous étions perplexes quand nous avons découvert d'abord l'effet dans les simulations informatiques», explique Stefan Rotter. Maintenant, le phénomène, qui avait été prédit il y a deux ans, pourrait être réalisée expérimentalement dans un effort commun des facultés de physique, de génie électrique et de mathématiques de TU de Vienne et de la faculté d'ingénierie de Princeton. Pour l'expérience, que l'on appelle des lasers à cascade quantique ont été utilisés, émettant à des fréquences terahertz, avec un diamètre inférieur à un dixième de millimètre. "Ces micro lasers sont parfaitement adaptés pour les expériences, parce que leurs propriétés optiques peuvent être finement réglé et leur longueur d'onde est assez grand», dit Martin Brandstetter (également TU Vienne). Cela rend plus facile pour l'onde lumineuse de passer d'un laser dans l'autre.

Imperfections souhaitee

En physique, l'absorption des ondes est généralement considérée comme un effet secondaire indésirable. "Pour plus de simplicité, les calculs théoriques décrivent souvent une situation optimale avec une dissipation zéro", dit Stefan Rotter. Miroirs avec 100% de réflectivité, fibres optiques qui transmettent 100% de la lumière ou ondes sonores entrantes qui ne perdent pas de leur énergie sont tout simplement plus facile de décrire mathématiquement. Mais parfois, la perfection est ennuyeuse. Les effets de couplage intéressants dans le laser reglage carabine ne peuvent être générés quand une couche absorbante spéciale est placée sur les lasers, qui dissipe une partie de la lumière.

Un phénomène mathématique complexe est responsable du comportement des lasers: soi-disant «points exceptionnels» émergent - points d'intersection spéciaux des surfaces dans des espaces complexes, qui ont tendance à apparaître dans les calculs. Chaque fois que les équations mathématiques mènent à ces points exceptionnels, des phénomènes physiques remarquables surgissent.

Un tel couplage laser peut conduire à de nouveaux commutateurs électro-optiques. À l'avenir, des éléments optiques pourraient être utilisés pour traiter l'information, similaire à des éléments électroniques que nous utilisons aujourd'hui. Couplé micro lasers seraient parfaitement adaptés à cet effet: ils peuvent facilement tenir sur une puce, et, comme l'a démontré à travers ce travail, ils peuvent être utilisés en tant que commutateurs de manière hautement non-triviales.

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.

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