Laser

Laser

Soit un milieu formé par des atomes à deux niveaux d'énergie: E₁ et E₂>E . Il y a trois processus différents possibles:

Þ          l'absorption d'un photon d'énergie`

ayant comme résultat l'excitation énergetique de l'atome et le saut du niveau E₁ sur le niveau E₂ éffectué par un électron. Ce processus s'appelle absorption stimulée.

Þ          l'émission spontanée d'un photon ayant la mÊme énergie, accompagnée par le retour de l'électron du niveau E₁ sur le niveau E₂. Ce processus s'appelle émission spontanée.

Þ          l'interaction entre l'atome excité et un photon d'énergie hn, ayant comme résultat l'émission d'un deuxiÈme photon et le retour de l'atome dans l'état fondamental. Ce processus s'appelle émission stimulée. Le photon délivré par l'émission stimulée possÈde la mÊme fréquence, la mÊme phase et la mÊme direction de mouvement que le photon qui stimule l'émission. Si le processus d'émission stimulée se répÈte plusieurs fois, alors il résulte l'augmentation par avalanche du nombre de photons. Vu que, conformément à la relation d'Einstein, le nombre d'absorptions stimulées est

et le nombre d'émissions stimulées est

il résulte que pour intensifier le flux d'énergie lumineuse par l'émission stimulée il faut que

c'est à dire le nombre d'atomes en état excité doit Être supérieur au nombre d'atomes en état fondamental.

Un milieu oÙ le nombre des atomes en état excité dépasse le nombre des atomes en état fondamental n'est pas un milieu à l'équilibre thermodynamique et peut Être obtenu seulement par l'excitation énergétique de l'extérieur. On dit dans ce cas que l'inversion de population a été réalisée. Donc l'inversion de population est la condition nécessaire à remplir pour obtenir l'effet d'amplification de la lumiÈre par l'émission stimulée, ou, en bref, de l'effet laser.

L'un des premiers milieux actifs utilisé à la construction des lasers a été le cristal de rubis. Celui-ci est un cristal d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), dans lequel ont été implantés des atomes de chrome. Si le cristal est illuminé avec des rayonnements monochromatiques de longueur d'onde l = 560 nm, les atomes de chrome absorbent la lumiÈre et passent dans un état énergétique excité. Dans la premiÈre phase, les ions de chrome peuvent céder une partie de leur énergie au réseau cristalline, sans rayonnement, passant dans un autre état excité, d'énergie plus basse. Ce niveau énergétique est métastable, c'est-à-dire il a une durée de désexcitation plus longue que le premier niveau excité. Par cette raison, il se produit un 'pompage' d'électrons sur le niveau métastable, le nombre de désexcitations du niveau supérieur étant dans le temps plus grand que celui du niveau métastable. Par conséquent, la population du niveau métastable croit et, finalement, il a lieu l'inversion de population.

Un dispositif laser utilise dans sa construction, à côté du cristal de rubis, une lampe qui fournit le rayonnement d'excitation du milieu actif. Le tube laser est en fait une cavité résonante, c'est-à-dire une enceinte à parois absorbantes, munie aux extrémités avec deux miroirs, dont un est translucide. La lumiÈre délivrée par l'émission stimulée sera absorbée par la paroi, sauf les rayons dirigés parallÈlement à l'axe longitudinal de la cavité. Les rayons parallÈles, étant reflétés entre les deux miroirs, parcourront plusieurs fois la marche aller-retour dans la cavité, augmentant ainsi la probabilité d'apparition de l'émission stimulée. Le faisceau laser sort en extérieur par le miroir translucide et possÈde les qualités suivantes:

Þ          il est composé par de la lumiÈre monochromatique, qui a dans le cas du cristal de rubis les longueurs d'onde l = 693 nm ou l = 694 nm, correspondantes à la transition de l'électron du niveau métastable au niveau fondamental

Þ          il est cohérent grace au fait que le rayonnement stimulé est en phase avec le rayonnement excitateur

Þ          il a une trÈs faible divergence, c'est-à-dire les rayons lumineux composants possÈdent un haut degré de parallélisme, car les autres rayons ont été éliminés par l'absorption sur la paroi

Þ          son intensité est forte, car l'énergie accumulée sur le niveau métastable est relachée dans un intervalle de temps beaucoup plus court que la durée d'excitation, réalisant ainsi une importante puissance d'émission

Þ          il est autofocalisé, c'est-à-dire les rayons composants du faisceau laser ont une tendance de s'approcher de l'axe de faisceau. Cette propriété s'explique par cela que l'indice de réfraction d'un milieu a une faible dépendance de l'intensité de la lumiÈre. Dans le cas du rayonnement laser, caractérisé par une grande valeur de l'intensité, l'indice de réfraction croit de la marge du faisceau vers son centre. Ce fait provoque la déviation des rayons lumineux vers le centre du faisceau. AprÈs que le faisceau parcourt une certaine distance, ses dimensions transversales se stabilisent et il prend un aspect filiforme.

Actuellement, on utilise trÈs souvent des lasers à milieu actif gazeux. Ainsi, les lasers He-Ne emploient comme milieu actif un mélange d'hélium et néon. Lorsqu'une décharge électrique se déroule dans le gaz, les atomes d'hélium peuvent Être excités par les collisions avec les électrons accélérés dans le champ électrique. L'interaction directe entre les atomes excités d'hélium et ceux de néon fait que les derniers prennent d'énergie des premiers, passant sur un niveau excité métastable. Par l'émission stimulée, ils émettent ultérieurement le rayonnement laser de longuer d'onde l = 632,8 nm.