L'émission stimulée - le LASER - Maxicours

L'émission stimulée - le LASER

Objectifs
Rappeler comment un atome peut absorber ou émettre un photon. Introduire la notion d’émission stimulée, et en donner une application : le LASER. Décrire son principe de fonctionnement. Etudier les propriétés de la lumière LASER émise. Enoncer quelques applications du LASER.
1. Transferts quantiques d’énergie : l’émission stimulée
Rappels :
Un atome peut absorber un photon, si celui-ci fait passer un de ses électrons sur un niveau d’énergie existant, en lui apportant exactement le quantum d’énergie requis pour effectuer la transition.


De la même manière, un électron sur dans état excité n’y demeure pas longtemps ( environ en moyenne). Il peut revenir à un état d’énergie plus basse en émettant un photon, par émission spontanée. Celle-ci est un phénomène aléatoire, car on ne peut pas prévoir quand et comment la transition se fera, et le photon est émis selon une direction aléatoire.


Pour rappel, est en Joule. Il est relié à la fréquence (en Hz) du photon et à sa longueur d’onde (en m), par la relation , où est la constante de Planck, est la célérité de la lumière dans le vide.

Emission stimulée :
Il existe une troisième possibilité de transition, prédite en 1917 par Albert Einstein (1879-1955). Quand un photon ayant exactement la différence d’énergie entre deux états et passe à proximité d’un électron dans l’état , il peut faciliter la transition de l’électron vers l’état . Il y a alors émission d’un nouveau photon d’énergie . Ce photon est en tout point identique au photon incident. Comme ils ont même énergie, ils ont même fréquence et même longueur d’onde. De plus, ils ont aussi même phase (pas de décalage temporel).


Ce phénomène porte le nom d’émission stimulée. Pour résumer, l’idée maîtresse est d’obtenir deux photons identiques à partir d’un seul photon incident.
2. Le LASER
L’émission stimulée est à la base du fonctionnement du LASER, acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (= amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Toutefois, pour fonctionner, le LASER doit respecter certaines contraintes.
a. L’inversion de population
Pour que l’émission stimulée se produise, il faut que l’électron se trouve dans l’état excité voulu (nommé dans notre description) au moment où le photon incident arrive.

La population d’un niveau d’énergie est donnée par la loi de Boltzmann (non exigible). est la population de l’état fondamental d'énergie , est la constante de Boltzmann, et T est la température en Kelvin.

Pour des atomes au repos à température ambiante, les électrons sont quasiment tous à l’état fondamental ; très peu sont dans des états excités. Cela ne permet pas des émissions stimulées en quantité suffisante. Il faut donc réaliser une inversion de population, c'est-à-dire amener suffisamment d’électrons dans l’état excité voulu.

Deux solutions existent :
Décharges électriques. A la manière d’un tube néon, on établit une circulation forcée d’électrons au sein du système (décharge électrique). Cela conduit à des chocs entre ces électrons et ceux du matériau, amenant ces derniers dans des états excités.
Pompage optique, mis au point en 1950 par Alfred Kastler (1902-1984). Il consiste en une décharge de photons, un flash par exemple, qui vont faire passer les électrons sur des états excités par absorption. C’est le principe de fonctionnement du premier LASER, créé en 1960 par Theodore Maiman (1927-2007) : le LASER à rubis.

L’inversion de population ne place pas directement l’électron au niveau . Dans le cas du LASER à rubis, les électrons passent par des états excités par pompage optique, puis vont rapidement () se désexciter par des transitions non radiatives (vibrations du cristal, …) pour transiter sur l’état . Ils peuvent y rester pendant un temps plus long ().


Le LASER à rubis a une structure à « 3 niveaux ». Il est aussi fréquent d’avoir des systèmes à 4 niveaux : après émission du photon, l’électron demeure un certain temps sur un niveau au dessus de l’état fondamental, avant de redescendre sur ce dernier, voir schéma du He-Ne.

Remarques :
Tout matériau ne peut convenir pour réaliser un LASER. Par exemple, un système à deux niveaux ne peut pas permettre le fonctionnement correct du LASER.
• Nous avons parlé d’atomes dans notre description, mais des molécules peuvent également servir. Le LASER à est par exemple très utilisé.
• Il est courant que des LASER utilisent deux atomes différents. Par exemple, le LASER He-Ne peut schématiquement être vu comme un LASER à 4 niveaux, où He permet l’inversion de population, et une transition de Ne assure l’émission LASER.


b. La cavité optique
Les atomes qui ont subi l’inversion de population constituent le milieu actif du LASER. La moindre émission spontanée d’énergie va alors produire un photon, qui peut alors induire des émissions stimulées en cascade avec d’autres atomes. Cette réaction en chaîne génère un grand nombre de photons en peu de temps.

Le milieu actif est inséré dans une cavité optique, constituée par deux miroirs : un totalement réfléchissant et un semi-réfléchissant. Les photons émis selon l’axe de cette cavité rebondissent sur les miroirs, ce qui engendre, au cours d’allers-retours, de plus en plus d’émissions stimulées, donc de plus en plus de photons : il y a amplification. Une part des photons s’échappe par le miroir semi-réfléchissant, constituant le faisceau LASER.


Il est nécessaire que les photons restent en phase, quel que soit le nombre d’allers-retours effectués dans la cavité. On souhaite en effet provoquer des interférences constructives entre photons (voir fiche dédiée), afin que le LASER puisse émettre de manière satisfaisante. Cette condition est satisfaite si la distance parcourue entre les deux miroirs (aller-retour) par les photons soit proportionnelle à leur longueur d’onde , c'est-à-dire si , où k est un nombre entier positif (on raisonne avec un indice optique ). De part ce fonctionnement, le LASER est qualifié d’oscillateur optique, analogue à une corde de guitare que l’on fait vibrer à sa fréquence propre (résonance).
c. Propriétés de la lumière LASER
Grâce à l’émission stimulée, les photons produits par le faisceau LASER sont identiques :
→ Ils ont même fréquence, ce qui fait que la lumière du LASER est monochromatique. En toute rigueur, il existe toutefois une largeur spectrale , certes très fine.

→ Ils ont même phase : le rayonnement LASER est cohérent. Il se prête bien aux expériences d’interférences (voir fiche dédiée).

De part la manière dont le flux de photons est amplifié dans la cavité optique :
→ Les photons constituant le faisceau LASER sont émis dans une seule direction. Un faisceau LASER est directif. On parle de « rayon LASER » pour désigner l’étroit pinceau de lumière émis. En réalité, le faisceau est légèrement divergent, mais selon un angle très faible.

→ La puissance lumineuse émise est concentrée au niveau du spot LASER. La puissance surfacique du faisceau peut dépasser celle du rayonnement solaire reçu sur Terre (), même pour des LASER de faibles puissances. Il y a concentration spatiale de l’énergie. Du point de vue sécurité, il convient de manipuler un LASER avec précaution, car le faisceau peut occasionner des dommages oculaires irréversibles au niveau de la rétine.

→ Des LASER émettent en continu mais d’autres émettent par « pulses », c'est-à-dire par émissions très brèves de photons, mais très intenses. Ce type de LASER permet d’atteindre des puissances énormes, de l’ordre du Gigawatt. On parle de concentration temporelle de l’énergie.
3. Applications du LASER
Le LASER est un outil très utilisé dans les civilisations modernes. Ses applications sont en effet nombreuses. En voici une liste non exhaustive :

Recherche fondamentale et appliquée : fusion nucléaire induite par LASER (LASER MegaJoule), refroidissement d’atomes par LASER (voir fiche « émission et absorption quantique »), LASER femtoseconde utilisé par exemple en biochimie (étude de réactions rapides), physique des matériaux (diffractométrie).
Applications militaires : guidage LASER de missiles, armes LASER.
Médecine : ophtalmologie, chirurgie (scalpel de précision), désobstruction des artères, dermatologie : traitement de verrues, tâches, traitement de tumeurs.
Dans l’industrie : outil de découpe du métal, visée LASER dans le domaine du génie civil (Tunnel sous la Manche), nettoyage de surfaces (restauration d’édifices en pierre noircis par la pollution), imprimantes LASER.
Télémétrie de précision : Mesure de distances avec une précision remarquable (distance Terre-Lune).
Météorologie, étude de l’atmosphère : LIDAR.
Optique : alignement d’instruments de précision par LASER, holographie.
Domaines artistiques : spectacles, science fiction.
Télécommunications : lecture et écriture de l’information : CD et DVD, transmission de l’information par LASER : fibres optiques.
L’essentiel
Le LASER est un instrument optique basé sur le phénomène d’émission stimulée d’un photon par un atome, conduisant à obtenir deux photons identiques à partir d’un photon incident.

Dans un LASER, des atomes sont soumis à une inversion de population, afin que des électrons soient dans l’état excité voulus. Ces atomes constituent le milieu actif du LASER. Par des émissions stimulées en cascade, résultant d’allers retour de photons dans une cavité optique, un flux de photons est progressivement amplifié et émis.


Le faisceau LASER est monochromatique, cohérent et directif. Sa puissance surfacique est élevée. Qu’il émette en continu ou par impulsions, ces propriétés font du LASER un outil aux nombreuses applications.

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