Le laser

Le Laser ou Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) est un appareil qui émet de la lumière monochromatique. Il est essentiel dans la création d’un hologramme à cause de la particularité de sa lumière: elle est cohérente. Le laser est une lumière monochromatique c’est à dire qu’il n’émet qu’une seule couleur.

Sa lumière provient d’atomes à l’état gazeux excités sous faible pression, sa couleur dépend donc de la nature de l’atome présent à l’intérieur du tube, par exemple le Laser He-Ne(Hélium-Néon) émet une lumière de longueur d’onde 632.2nm ce qui correspond à une lumière rouge (cf. Figure 1).

Figure 1 : spectre lumineux : couleurs et longueurs d’onde associée

Le Laser est constitué d’une cavité ayant un miroir à chaque extrémité. On appelle cette cavité un résonateur car la lumière y est réfléchi de nombreuses fois, on dit qu’elle y résonne. Un des miroirs n’est réfléchissant qu’à 99,9% ce qui permet à la lumière de sortir du tube.

Pour comprendre le phénomène mis en jeu dans le laser il est primordial de connaître une particularité des atomes: leur énergie et quantifié. C’est à dire qu’un certain atome ne peut avoir qu’une certaine quantité d’énergie. Une fois qu’un atome excité arrive sur un niveau d’énergie supérieur, en absorbant de l’énergie, il peut émettre un photon (lumière) et ainsi évacuer son énergie et revenir à son énergie de base: son niveau fondamental. On appelle cela une émission spontané>e (cf. Figure 2).

émissions1
Figure 2 : transition entre niveaux d’énergie : absorption, émissions spontanée et stimulée

En revanche, si pendant qu’un électron est sur un niveau d’énergie supérieur, un photon d’une énergie égale passe à proximité, l’électron émet un photon ayant la même fréquence et la même longueur d’onde. Ainsi à partir d’un photon incident on a deux photons jumeaux. Cependant, il est nécessaire que les électrons arrivent dans un niveau d’énergie dit «métastable», c’est à dire que ce niveau d’énergie est beaucoup plus stable que les autres. L’électron reste donc plus longtemps sur ce niveau d’énergie (3*10-3s) avant d’émettre un photon (contre 10-8s pour les autres niveaux) ; cf. Figure 4. Il est ensuite nécessaire de réaliser une inversion de population: il faut qu’il y ait plus d’électrons excités dans le tube que d’électrons à l’état fondamentale. Cette opération peut être réalisé de différentes manières: décharge électrique, réaction chimique, courant électrique, lampe flash etc… On appelle cela des dispositifs de pompage.

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Figure 3 : transition entre niveaux d’énergie: états stable (E1), instable (E2) et métastable (E3)
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Figure 4 : principe du laser : émission stimulée

Ici, une émission stimulée en entraîne d’autre, les photons jumeaux deviennent à leur tour des photons incidents qui engendrent de nouveaux photons: tous identiques (cf. Figure 4). Les nombreux aller/retour dans la cavité en engendrent beaucoup ce qui permet de produire une lumière monochromatique (i.e. d’une seule couleur).

Toutes les interférences qui se forment dans le tube sont constructives. La taille de la cavité (aller/retour) doit être un multiple parfait de la longueur d’onde émise pour que la cohérence soit sauvegardée. Le Laser émet donc une lumière ayant une grande amplitude. Le laser produit donc une lumière directionnelle, cohérente et énergétique.

Dans le prochain article vous verrez La diffraction

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