Le laser : principe de fonctionnement

Cet article a pour objectif d’expliquer le principe de fonctionnement du laser, source lumineuse aux propriétés d’émission bien particulières. Un laser est constitué d’un milieu matériel dans lequel l’amplification de la lumière est possible, d’un système de pompage qui fournit de l’énergie à ce milieu et d’une cavité optique. Dans un premier temps, on décrit le processus d’émission stimulée à la base de l’amplification du rayonnement. On présente ensuite la cavité optique, qui permet de passer d’un système qui amplifie la lumière à une source lumineuse. Cette cavité impose au faisceau laser ses caractéristiques spatiales et temporelles, qui le distinguent de la lumière émise par les sources usuelles.

Les lasers êtent leurs 50 ans

Le premier laser a vu le jour en mai 1960, dans un petit laboratoire industriel à Malibu en Californie. Il s’agissait d’un laser à rubis, fonctionnant en impulsions dans le rouge. Son inventeur, Theodore Maiman, créait ainsi le premier « maser optique », concrétisant la proposition faite deux ans plus tôt par Arthur Schawlow et Charles Townes de réaliser un oscillateur optique, sur le modèle des masers inventés en 1954 dans le domaine des micro-ondes. Mais passer au domaine optique était loin d’être évident, et de nombreux chercheurs s’y essayaient dans leur laboratoire. Le succès de Maiman fut suivi rapidement de beaucoup d’autres. Le premier laser hélium-néon fut mis au point quelques mois plus tard par Ali Javan aux Bell Labs. Dans les années suivantes, une grande variété de lasers vit le jour, fonctionnant avec des milieux et des longueurs d’onde de plus en plus diversifiés. De nos jours, cette « curiosité de laboratoire » est devenue un objet courant de la vie quotidienne.

Un faisceau de lumière concentrée et ordonnée

Un faisceau laser se reconnaît du premier coup d’œil, car il est différent de la lumière ordinaire : c’est un faisceau de lumière cohérente, qui se distingue de la lumière émise par les lampes classiques (lampes à incandescence, tubes fluorescents, diodes électroluminescentes). Celles-ci émettent leur lumière dans des directions multiples, ce qui est bien adapté pour éclairer une pièce ou une région de l’espace. Au contraire, le faisceau émis par un laser est un fin pinceau se manifestant, lorsqu’il est arrêté par un obstacle tel qu’un mur, par une tache brillante et presque ponctuelle. Lorsqu’il se propage, même sur de grandes distances, le faisceau laser reste bien parallèle et localisé : cette propriété est la cohérence spatiale. Une autre caractéristique du faisceau laser, qui apparaît dans le domaine visible, est sa couleur bien souvent pure. Dans certains cas, il est quasi monochromatique, dans d’autres il n’est composé que de certaines longueurs d’onde particulières ; cette propriété est la cohérence temporelle. Ces propriétés de cohérence sont celles du champ électromagnétique émis par le laser. Un tel champ est caractérisé par sa fréquence, sa direction de propagation et sa polarisation. Si l’on traite quantiquement ce champ, c’est-à-dire qu’on le décrit en termes de photons, ces caractéristiques définissent ce qu’on appelle un mode du champ. Les photons d’un faisceau laser sont donc dans un seul mode du champ ou dans un nombre restreint de modes.

L’amplification stimulée de rayonnement

Le mot laser, s’il est devenu un terme commun, est à l’origine un acronyme pour “Light amplification by stimulated emission of radiation”, c’est-à-dire « Amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ». Comme il apparaît dans cette dénomination, l’émission stimulée – appelée également émission induite – joue un rôle clé dans le fonctionnement des masers et des lasers. L’émission stimulée est un processus d’interaction entre lumière et matière, comme l’absorption et l’émission spontanée (voir encadré 1). Pour décrire ces interactions, nous prendrons ici l’exemple d’un gaz où les processus d’interaction sont individuels : ils concernent un atome isolé et s’accompagnent de l’apparition ou de la disparition d’un photon (de plusieurs photons dans le cadre de l’optique non linéaire). En 1913, Bohr a décrit l’interaction entre un atome et le rayonnement de la façon suivante : l’atome peut absorber ou émettre de la lumière lorsqu’il effectue un « saut quantique » entre deux de ses états d’énergie. Si E1 et E2 sont les énergies de ces deux états, choisies telles que E2 > E1, on a la relation E2 – E1 = hν, où h est la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement. Le produit hν est l’énergie du photon absorbé ou émis, de sorte que cette relation refl ète la conservation de l’énergie dans le processus d’interaction : l’énergie perdue par le rayonnement est fournie à l’atome dans le cas de l’absorption, ou réciproquement dans le cas de l’émission. Il existe trois processus d’interaction entre atomes et rayonnement, décrits dans l’encadré 1. L’émission stimulée introduite par Einstein permet, dans certaines conditions, d’amplifi er le rayonnement

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