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Comment fonctionne un laser

Le spectre électromagnétique et l'énergie quantique

Le spectre électromagnétique se compose de la gamme complète des fréquences allant des ondes radio aux rayons gamma. Tout le rayonnement électromagnétique est constitué de photons qui sont des paquets quantiques individuels d'énergie. Par exemple, une ampoule domestique émet environ 1 000 000 000 000 000 000 000 photons de lumière par seconde! Dans ce cours, nous ne nous intéresserons qu'à la partie du spectre électromagnétique où opèrent les lasers: infrarouge, visible et ultraviolet.

Graphique du spectre électromagnétique

Prénom Longueur d'onde
Ultaviolet 100 nm - 400 nm
Visible 400 nm - 750 nm
Proche infrarouge 750 nm - 3000 nm
Infrarouge lointain 3000 nm - 1 mm

Einstein a remporté le prix Nobel pour son explication des phénomènes appelés l'effet photoélectrique. Lorsque de la lumière (énergie électromagnétique) est projetée sur une surface métallique dans le vide, elle peut libérer des électrons de cette surface. Ces électrons peuvent être détectés comme un courant circulant dans le vide vers une électrode. Cependant, la lumière n'était pas toujours assez forte pour provoquer cet effet. Lorsque les scientifiques ont rendu la lumière plus lumineuse, aucune augmentation des électrons n'a été observée. Ce n'est que lorsqu'ils ont changé la couleur de la lumière (la longueur d'onde) qu'ils ont vu un changement dans la photoémission des électrons. Cela a été expliqué par Einstein en utilisant une théorie selon laquelle la lumière est constituée de photons, chacun avec un quantum discret d'énergie proportionnel à leur longueur d'onde. Pour qu'un électron soit libéré de la surface du métal, il aurait besoin d'un photon avec suffisamment d'énergie pour surmonter l'énergie qui le lie à l'atome. Ainsi, rendre la lumière plus claire fournirait plus de photons, mais aucun n'aurait l'énergie pour libérer l'électron. La lumière avec une longueur d'onde plus courte consistait en photons d'énergie plus élevée qui pourraient fournir l'énergie nécessaire pour libérer l'électron. Maintenant, vous demandez, "Qu'est-ce que cette idée de l'énergie quantique a à voir avec un laser?". Eh bien, avec ce fond sous notre ceinture, nous continuerons.

Composants laser

laser schématique

Le milieu de Lasing

milieu laser vert

Une substance qui, lorsqu'elle est excitée par l'énergie, émet de la lumière dans toutes les directions. La substance peut être un gaz, un liquide ou un matériau semi-conducteur.

Le mécanisme d'excitation ou pompe à énergie

excitation électrique

Le mécanisme d'excitation d'un laser est la source d'énergie utilisée pour exciter le milieu laser. Les mécanismes d'excitation généralement utilisés sont: l'électricité provenant d'une source d'alimentation, les tubes éclair, les lampes ou l'énergie d'un autre laser.

La cavité optique

Cavité optique

La cavité optique est utilisée pour renvoyer la lumière du milieu laser vers l'intérieur. Il se compose généralement de deux miroirs, un à chaque extrémité du milieu laser. Lorsque la lumière est réfléchie entre les deux miroirs, elle augmente en intensité, ce qui entraîne une amplification de l'énergie du mécanisme d'excitation sous forme de lumière. Le coupleur de sortie d'un laser est généralement un miroir partiellement transparent sur une extrémité du milieu laser qui permet à une partie de la lumière de quitter la cavité optique pour être utilisée pour la production du faisceau laser.

Comment ça marche

Le milieu laser émettra normalement des photons dans des raies spectrales spécifiques lorsqu'il est excité par une source d'énergie. La longueur d'onde est déterminée par les différents niveaux quantiques, ou états d'énergie, du matériau. Normalement, la plupart des atomes dans un milieu sont dans l'état fondamental. Un petit pourcentage existera également aux énergies plus élevées. Normalement, ces états d'énergie plus élevée sont instables et les électrons libèrent cette énergie excédentaire sous forme de photons presque immédiatement et retournent à l'état fondamental. Dans certains matériaux, en particulier ceux choisis comme milieu laser, un état métastable est possible où l'atome ou la molécule restera à l'état excité pendant un certain temps.
L'énergie est fournie au milieu laser par le système de pompage d'énergie. Cette énergie est stockée sous forme d'électrons piégés dans les niveaux d'énergie métastables. Le pompage doit produire une inversion de population (c.-à-d. Plus d'atomes dans l'état métastable que dans l'état fondamental) avant que l'action laser puisse avoir lieu.
Lorsque l'inversion de population est atteinte, la désintégration spontanée de quelques électrons du niveau d'énergie métastable à un niveau d'énergie plus bas déclenche une réaction en chaîne. Les photons émis spontanément frapperont (sans être absorbés) d'autres atomes et stimuleront leurs électrons pour faire la transition du niveau d'énergie métastable à des niveaux d'énergie plus bas - émettant des photons de même longueur d'onde, phase et direction.
Cette action se produit dans la cavité optique. Lorsque les photons qui se désintègrent dans la direction des miroirs (la plupart sont perdus - les lasers ne sont pas aussi efficaces qu'on pourrait croire) atteignent la fin du laser, ils sont réfléchis dans le matériau où la réaction en chaîne se poursuit et le nombre de les photons augmentent. Lorsque les photons arrivent au miroir partiellement réfléchissant, seule une partie sera réfléchie dans la cavité et le reste émergera sous la forme d'un faisceau laser.

fonctionnement laser de base