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LE PRINCIPE DU LASER

Jean CORNILLAULT Compagnie Industrielle des Lasers (CILAS) Marcoussis, France

Le mot laser est constitué par les initiales de "light amplification by stimulated emission of radiation".

L e laser est un type de source non-classique : il ne fonctionne pas, comme tous les systèmes délectronique active (tubes à vide, transistors) au moyen dinteractions entre des champs électriques appliqués et des charges mobiles (les électrons). Il sagit dune émission stimulée.

B ien avant lapparition du laser, la possibilité dobtenir une émission stimulée, avait été démontrée par Einstein (en 1917). On peut aussi noter les travaux dA. Kastler (1950) sur le pompage optique, sans lequel aucun laser à solide ne fonctionnerait, ainsi que ceux de Fabry et Pérot, sur les interféromètres à ondes multiples, qui sont le cur de toutes les cavités laser.

Pratiquement en même temps (dès 1952), Townes, Gordon et Zeiger aux Etats Unis ainsi que Basov et Prokhorov en URSS ont imaginé des expériences damplification stimulée sur la molécule dammoniac (NH ₃).

Léquilibre thermodynamique
L a théorie quantique nous dit que les électrons dun atome ne peuvent pas être disposés nimporte comment autour du noyau. Ils suivent des trajectoires très précises, régies par les énergies électroniques qui dépendent de la nature du milieu. Ces trajectoires possibles sont ce que lon appelle les niveaux dénergie (figure 1). Plus cette trajectoire est éloignée du noyau, plus lénergie correspondante est importante.

L a disposition de ces différents niveaux dénergie est caractéristique dun atome et peut être calculée à partir de la connaissance de ses nombres quantiques.

P ar rapport au niveau fondamental, la différence dénergie correspondante sexprime par :

E n 1957, A.L. Schawlow (qui vient de mourir le 28 avril 1999) et C.H.Townes (tous deux des Bell Labs) publiaient le premier schéma de laser, puis annonçaient la possibilité de créer des rayonnements dans linfrarouge, le visible et même au-delà [1].

L es premiers lasers ont été : un laser solide impulsionnel à rubis (T. Maiman 1960) [2] puis un laser à gaz continu, le laser hélium-néon (A. Javan 1961) [3].

PRINCIPES [4]

DE = hn

E représente un quantum dénergie, valeur minimale pour tous les échanges énergétiques : cest le photon. Dans cette expression, h est la constante de Planck et n est la fréquence du champ électromagnétique. l l par :
C omme dans tout phénomène sinusoïdal, la fréquence du rayonnement peut être reliée à sa longueur donde

N ₁ et N ₂ sont les nombres délectrons sur les niveaux E ₁ et E ₂. K est la constante de Boltzmann et T est la température absolue du corps.

L orsque la différence entre ces niveaux est telle que la fréquence

l=c / n , c étant la vitesse de la lumière.

E n réalité, les niveaux ne sont pas aussi simples que cela. Ils sont décomposés en sous-niveaux, à cause de lélargissement qui se produit naturellement, pour les raisons suivantes :
₂/N₁~10⁻²¹ pour

leffet Doppler,

la pression et les collisions,

le champ ambiant et, en particulier, le champ cristallin,

les interactions avec le milieu, ou entre atomes actifs,

la température.

Labsorption
S i latome reçoit un rayonnement à une longueur donde correspondant à une transition possible, ce rayonnement est absorbé. Ce sont dailleurs les expériences dabsorption dans les gaz qui ont permis de comprendre ces phénomènes et détablir les lois de loptique quantique.

Lémission spontanée
L émission naturelle des corps est décrite par la formule de Planck :

La dynamique du phénomène dabsorption dépend de la population N ₁ du niveau inférieur et de lintensité g(

A u repos, les électrons ont tendance à se grouper autour du noyau, laissant inoccupées les places les plus éloignées. Il faut apporter de lénergie à latome pour faire sauter ses électrons sur des niveaux supérieurs et on voit que cette énergie doit être de plus en plus grande lorsquon séloigne de la base.

L équilibre naturel suit la loi de Boltzmann, donnée par la formule :

N₁ / N₂ = exp[- ( E2 - E1 ) / KT]
n du quantum h n l =1 m n
r(n) = 8phn ³ / c³( exp (hn / KT) 1 ) représente la densité de radiation du corps noir, par unité dintervalle de fréquences.

C onsidérons maintenant le cas dun atome excité. Etant donné que les électrons doivent naturellement être le plus près possible de létat fondamental, il est assez normal de penser que, si la source dexcitation cesse, ils ne vont pas rester sur leur niveau excité.

L a vitesse de désexcitation est proportionnelle à la population du niveau supérieur.

C ette émission spontanée est une fonction statistique du temps et de lespace. Si plusieurs photons sont émis simultanément, il nexiste aucune relation de phase entre eux. On dit quils sont incohérents.

Lémission stimulée
N ous avons vu que labsorption d un photon de longueur donde l . telle que l = hc/ D E provoque le transfert dun électron sur le niveau supérieur, ce qui correspond à lexcitation de latome considéré. Si un photon de même longueur donde frappe cet atome excité, il le désexcite et, en retrouvant son état fondamental, celui-ci produit un autre photon avec la même fonction donde que celle du photon incident. Lémission est cohérente.

C ontrairement à ce qui se produit dans le cas de lémission spontanée, lémission stimulée est proportionnelle au champ g(n ).

Les conditions damplification
S i le système est en équilibre, les niveaux les plus bas sont toujours les plus peuplés. Si nous calculons la différence entre la population du niveau inférieur et celle du niveau placé juste au-dessus, elle est positive. La réponse impulsionnelle à larrivée dun signal sera une absorption.

S i maintenant nous considérons que nous avons pu déplacer cet équilibre et peupler le niveau supérieur de façon telle que sa population soit nettement supérieure à celle du niveau inférieur, larrivée du même signal provoquera une émission stimulée. Il y a amplification du signal incident. Cette condition est appelée linversion de population.

P our obtenir lamplification, premier pas vers leffet laser, il faut donc déjà avoir réalisé deux conditions :

disposer dun milieu actif,

avoir obtenu une inversion de population.

Les modes de transfert pour les transitions atomiques
I l faut arriver à stocker des électrons sur le niveau supérieur. Pratiquement. ce mécanisme de stockage se fait de plusieurs façons différentes.

Pompage optique
L e pompage optique est lexcitation du milieu actif par la lumière. Cest le mode de pompage des lasers à solides [5]. On distingue généralement les systèmes à 3 niveaux et ceux à 4 niveaux.

Pompage électronique
C e type de pompage est généralement utilisé dans les lasers à gaz. Comme le gaz est en principe isolant, il faut dabord envoyer une décharge pour ioniser le milieu et le rendre conducteur. Ensuite, en appliquant un champ électrique entre deux électrodes plongées dans le gaz, on obtient un courant. Les électrons qui circulent cèdent leur énergie cinétique aux atomes du milieu actif et provoquent linversion de population cherchée.

I l nest pas suffisant de provoquer une inversion de population pour obtenir leffet laser, il faut obliger les photons à partir en majorité dans une direction bien définie, ce qui va permettre daugmenter considérablement leur flux par lémission stimulée. Cest le rôle que joue la cavité.

L a cavité est formée par deux miroirs parallèles (figure 3), qui encadrent le milieu actif et qui définissent une direction privilégiée : leur normale. Le miroir arrière est totalement réfléchissant alors que le miroir avant laisse passer une partie du rayonnement, ce qui autorise lémission laser.

Le transfert est alors souvent obtenu par collision résonnante, car on est généralement en présence dun mélange de gaz. Le principe est celui de la figure 2, Le niveau E ₃ appartient au premier gaz (A), alors que les niveaux E ₂ et E ₁ entre lesquels se produit la transition radiative, appartiennent au second gaz (B).

Les deux niveaux supérieurs E ₂ et E ₃, qui sont très voisins, sont peuplés de la même façon par le pompage réalisé. Si le niveau E ₃ est métastable, il agit comme un réservoir dénergie et transfert celle-ci au gaz B, lors des collisions entre les atomes ou les molécules des deux gaz. Le rendement peut donc être très élevé et le seuil bas, puisque le niveau E ₁ est en permanence dépeuplé de façon non radiative. Le fonctionnement est assez semblable à celui du laser à 4 niveaux.

L e laser hélium-néon de Javan fonctionne de cette façon.

Pompage chimique
O n utilise des réactions chimiques qui, en se produisant, fournissent directement des molécules ionisées. Lavantage de ce type de laser est quil ne nécessite pas de source délectricité. Pratiquement, ces techniques, qui permettent dobtenir de très grandes puissances, sont réservées aux applications militaires. On peut citer les lasers au fluorure dhydrogène (HF) ou au fluorure de deutérium (DF) dans linfrarouge moyen.

Pompage par injection de porteurs
C est le pompage des lasers à semiconducteur, qui est produit par le courant direct qui traverse une jonction de type p-n.

CAVITES

O n peut voir que cet écartement est inversement proportionnel à la longueur de la cavité L. Si lon veut avoir peu de modes, ou même un seul, il faudra prendre une cavité très courte.

I l est enfin primordial que labsorption intrinsèque de ces filtres soit la plus faible possible. Dans les cavités laser, comme ils jouent un rôle fort important, ils sont réalisés à partir de matériaux dont les propriétés optiques sont compatibles avec toutes ces exigences.

T out ceci montre que les sources laser ont pour spécificité : un rayonnement émis très pur (monochromaticité) grâce à leur cohérence temporelle et une grande directivité due à leur cohérence spatiale.

A u départ, lémission spontanée produit les premiers photons, qui peuvent se diriger dans nimporte quelle direction. Seuls ceux qui sont émis suivant laxe normal aux deux miroirs rencontrent un grand nombre datomes excités. A la fin du premier passage, les photons en phase sont déjà assez nombreux. Ils se réfléchissent sur les miroirs et viennent encore entraîner dautres photons, par émission stimulée. On imagine facilement quun gain important puisse être obtenu. Il faut enfin noter que le phénomène est rapide, étant donné la vitesse de la lumière et que lémission spontanée ne joue quun rôle négligeable, limité à linitialisation du phénomène.

S i le gain obtenu sur un aller et retour est supérieur aux pertes rencontrées, le seuil est franchi : un faisceau laser est émis.

L a cavité joue de plus un rôle de filtre optique très sélectif. Il sagit d un interféromètre à ondes multiples qui ne fournit des interférences constructives que si :

nL = pl / 2 (dans le cas de lincidence normale)

L étant la longueur de la cavité, n lindice de réfraction et p un nombre entier.

L es longueurs donde sont donc émises dune façon régulière à lintérieur de la largeur de raie totale, la raie de fluorescence : cest ce que lon appelle un peigne. Lécartement de deux fréquences successives est donné par :

Dn = c Dl / l ² = c / 2L

Références
[1] A.L. Schawlow and C.H. Townes "Infrared and Optical Masers" - Physical Review vol 112, n6,(15 Décembre 1958)
[2] T.H. Maiman "Stimulated optical radiation in ruby masers" - Nature vol 187 (Août 1960)
[3] A. Javan, W.B. Bennett, Jr, D.R. Herriott "Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing He-Ne mixture" Phys. Rev. Lett. Vol 6, (Février 1961)
[4] A.E. Siegman "An introduction to lasers and masers" Mc Graw-Hill (1971)
[5] A. Brun "Les lasers à solides" Optique et Photonique N3/ 20.8.1998 (Mémo)

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LE PRINCIPE DU LASER Jean CORNILLAULT Compagnie Industrielle des Lasers (CILAS) Marcoussis, France Le mot laser est constitué par les initiales de "light amplification by stimulated emission of radiation". L e laser est un type de source non-classique : il ne fonctionne pas, comme tous les systèmes délectronique active (tubes à vide, transistors) au moyen dinteractions entre des champs électriques appliqués et des charges mobiles (les électrons).

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