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Le laser : histoire d’un rayon

Date : 21 juillet 2010

Si le principe fondamental du laser a été découvert par Einstein en 1917, il a fallu près de 50 ans pour que le premier laser voie le jour. Pourtant, la plupart des éléments nécessaires existaient depuis longtemps. Aujourd’hui, le laser est omniprésent : outil des physiciens, des chimistes ou des médecins, on l’utilise aussi pour lire des code-barres ou des DVD… Les astrophysiciens ont découvert récemment l’existence de lasers naturels !

Préhistoire et histoire du laser

Corps noir
Nous voyons la plupart des objets qui nous entourent grâce à la lumière qui les éclaire et qu’ils renvoient. Pourtant, sans un tel éclairage, un morceau de charbon est visible à condition toutefois qu’il soit… suffisamment chaud. Le rayonnement émis par le charbon (dans cet exemple) du fait de sa température est appelé « rayonnement de corps noir ». Même à 20 °C, le charbon émet un tel rayonnement mais le spectre des fréquences émises est tel que nos yeux ne le « détectent » pas. Etablir la relation mathématique qui donne le spectre d’émission (les fréquences et les amplitudes) en fonction de la température a été un problème ardu auquel les physiciens se sont intéressés à la fin du XIXe  siècle. En 1900, sans la démontrer, Max Planck (1858-1947, prix Nobel de physique 1918) parvient à mettre sur pied la « loi du rayonnement du corps noir », une relation qui rend parfaitement compte des observations expérimentales, en introduisant en physique le « quantum élémentaire d’action h ».

Effet laser
Le temps de séjour d’un atome hissé de son état fondamental E0 vers un état excité E1 est très court, puisqu’il a spontanément tendance à retourner à son état fondamental en rayonnant de l’énergie sous forme d’une radiation quantique de fréquence ν telle que hν = E1–E0. Imaginons à présent non pas un mais des milliards de milliards d’atomes enfermés dans une enceinte à une certaine température, comme l’air enfermé dans un four. Le rayonnement de corps noir au sein de l’enceinte, dont le spectre est continu, interagit avec les atomes. Ces derniers absorbent certaines radiations puis se désexcitent spontanément. Aussi, l’énergie du rayonnement dans l’enceinte subit de microscopiques fluctuations. Albert Einstein (1879-1955, prix Nobel 1921) s’intéresse à ces fluctuations qu’il étudie de manière théorique. En 1917, il arrive à la conclusion que si la loi de Planck est correcte – et elle a l’air de l’être – l’interaction rayonnement-matière doit mettre en jeu une autre forme d’émission, autre que l’émission spontanée, car cette dernière seule ne peut rendre compte de la loi de Planck. Einstein montre que l’émission d’un photon hν lorsqu’un atome se désexcite peut être induite, stimulée, par un photon de même énergie. Dans ce processus que personne n’avait encore imaginé, appelé « émission induite » ou « émission stimulée », le photon émis possède les mêmes caractéristiques que le photon « stimulant » : même énergie, même direction d’émission, même phase. Et par ailleurs leurs énergies s’ajoutent ! La lumière arrive donc sur un atome excité et le quitte avec une énergie double : il y a Amplification de Lumière par Emission Stimulée de Radiation ; c’est l’effet LASER (en anglais). L’acronyme n’a été forgé que près de quarante ans après la publication d’Einstein.

Nécessité d’une inversion de population
Au cours des années 1920 et 1930, certains physiciens étudient activement l’émission stimulée, mais à cette époque personne n’a conscience qu’il serait peut-être possible de mettre au point un véritable « amplificateur de lumière ». Pourquoi ? Car à cette époque, on s’intéressait surtout aux situations dans lesquelles il y a équilibre thermique. Or, dans une population d’atomes en équilibre thermique, la majeure partie des atomes n’est pas dans un état excité - nécessaire à l’émission stimulée – mais dans son état fondamental, si bien que l’absorption du rayonnement l’emporte sur l’émission stimulée. Une population en équilibre thermique ne constitue donc pas un milieu amplificateur, même si certains rares photons sont issus de l’émission stimulée. Pour avoir un amplificateur de lumière, un laser, il est nécessaire qu’il y ait davantage d’atomes dans l’état excité que dans l’état fondamental : il faut provoquer une « inversion de population » et donc sortir de l’état d’équilibre thermodynamique. La réalisation d’un tel déséquilibre est dévolue à des méthodes dites de « pompage » qui apportent sans cesse de l’énergie et surpeuplent la population d’atomes dans l’état excité. Signalons que ce déséquilibre correspond en fait à un « équilibre à température négative ».

La cavité
L’inversion de population doit dépasser un certain seuil critique qui dépend des atomes du milieu actif. Dans la mesure où plus le nombre de photons est important et plus les chances d’obtenir une émission stimulée sont grandes, on peut abaisser ce seuil critique en augmentant le taux d’émissions stimulées, cela en faisant croître l’intensité du rayonnement. On y parvient par « amplification résonante » en utilisant une cavité constituée de deux miroirs parallèles espacés d’une distance égale à un nombre entier de demi longueurs d’ondes. Grâce à cette cavité résonante qui constitue un oscillateur optique, on obtient une amplification résonante de lumière qui favorise l’émission stimulée dans la direction de propagation de la lumière dans la cavité (perpendiculaire aux miroirs). L’un des miroirs est semi-réfléchissant afin de permettre au faisceau de sortir du dispositif.

 

 
 
 
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