Les fondamentaux du laser

Prolégomènes

Certes Einstein avait prévu le phénomène d’émission stimulée dès 1927, mais il a fallu attendre jusqu’en 1960 pour que la première réalisation du laser puisse voir le jour. Ce fut sous la forme du maser optique à rubis construit par Maiman. Environ cinquante ans après leur découverte, les lasers se révèlent toujours un axe de recherche à la fois prometteur et actif dont les applications sont de plus en plus pertinentes et de grand intérêt.

Ceci a constitué la motivation principale qui nous a incité à rédiger ce manuel de cours qui s’articule autour des fondamentaux du laser. Nous nous sommes attachés à présenter un contenu simple qui met en relief les notions élémentaires de la physique du laser sans renter dans des détails complexes qui risquent de nuire au message principal que nous voulons transmettre essentiellement aux étudiants débutants en l’occurrence ceux de la licence. Ainsi, nous avons évité les calculs fastidieux qui caractérisent en général des formalismes mathématiques laborieux. Notre démarche consiste donc à vulgariser la présentation de ce cours afin qu’il soit facile d’accès.

En bref, ce manuel offre le tout premier contact avec les propriétés du laser et ouvre la voie pour approfondir amplement ses connaissances à ce sujet.

Le chapitre 1 est dédié à des généralités au sujet de la lumière laser.

Le chapitre 2 présente les mécanismes d’émission spontanée, d’absorption et d’émission stimulée.

Dans le Chapitre 3, nous focalisons l’intérêt sur le principe de base du laser

Le Chapitre 4 décortique chacun des éléments qui constituent le dispositif laser.

Le Chapitre 5 donne et explique la nature mathématique du faisceau laser en mettant en relief les propriétés de son extension spatiale.

Dans le Chapitre 6, il est question de passer en revue les différents types des lasers.

Enfin, le Chapitre 7 est consacré à la présentation des quelques applications des lasers.

Table des matières

Chapitre 1 Généralités sur la lumière laser..1

1.1 Source monochromatique..1

1.1.1 Introduction..1

1.1.2 Gammes de longueurs d’onde..1

1.2 Source réelle..2

1.3 Signification du mot LASER..3

1.4 Caractéristiques du faisceau laser..3

1.5 Avantages du laser ..3

1.5.1 Compromis intensité – monochromaticité..3

1.5.2 Compromis intensité – directivité..4

1.5.3 Compromis simultané – intensité – monochomaticité – directivité ..5

1.5.4 Applications ..5

1.6 Modes du laser..6

Chapitre 2 Mécanismes d’émission et d’absorption..7

2.1 Loi de Boltzmann à l’équilibre thermodynamique..7

2.2 Mécanismes d’absorption – émission..7

2.2.1 Emission spontanée..7

2.2.2 Absorption..8

2.2.3 Emission stimulée..9

Chapitre 3 Principe de base du laser..11

3.1 Position du problème..11

3.2 Processus mis en jeu..11

3.3 Principe de fonctionnement du laser ..13

3.4 Conclusion..14

Chapitre 4 Caractéristiques du dispositif laser..15

4.1 Système de pompage..15

4.2 Milieu actif..15

4.2.1 Fréquence propre du milieu actif..15

4.2.2 Bande passante du milieu actif..16

4.2.3 Gain du milieu actif..17

4.2.4 Condition portant sur le gain..17

4.3 Cavité optique..18

4.4 Bilan synthétique..19

4.5 Types de cavités..21

4.5.1 Position du problème..21

4.5.2 Cavité à miroir sphériques..21

4.5.3 Stabilité de la cavité..22

Chapitre 5 Faisceau gaussien..23

5.1 Introduction..23

5.2 Paramètres d’un faisceau gaussien..23

5.2.1 Largeur..23

5.2.2 Portée de Rayleigh..24

5.2.3 Rayon de courbure..24

5.2.4 Divergence..24

5.3 Intensité d’un faisceau gaussien..25

Chapitre 6 Aperçu sur les différents types du laser..26

6.1 Introduction..26

6.2 Lasers cristallins..26

6.2.1 Milieu actif..26

6.2.2 Longueur d’onde d’émission..26

6.2.3 Applications.27

6.3 Lasers à gaz..28

6.3.1 Milieu actif ..28

6.3.2 Longueur d’onde d’émission ..29

6.3.3 Applications ..29

6.4 Lasers à semi-conducteurs..29

6.4.1 Milieu actif ..29

6.4.2 Longueur d’onde d’émission ..29

6.4.3 Applications ..29

6.5 Lasers à fibre..29

6.5.1 Milieu actif ..29

6.5.2 Longueur d’onde d’émission ..29

6.5.3 Applications ..29

6.6 Lasers à colorants..30

6.6.1 Milieu actif ..30

6.6.2 Longueur d’onde d’émission ..30

6.6.3 Applications ..30

6.7 Lasers à électrons libres..30

6.7.1 Milieu actif ..30

6.7.2 Longueur d’onde d’émission ..30

6.7.3 Applications ..31

Chapitre 7 Quelques applications des lasers..32

7.1 Diffractométrie..32

7.2 Applications énergétiques..32

7.2.1 Position du problème..32

7.2.2 grandeurs physiques mises en jeu..33

7.2.3 Variation de la température..33

7.2.4 Fusion et soudure..34

7.2.5 Découpe..35

7.2.6 Vaporisation..36

7.2.7 Microchirugie..36

7.3 Applications au transport de l’information..36

7.3.1 Alignement..36

7.3.2 Télécommunications..36

7.3.3 Mesure des longueurs..37

Références bibliographiques..39

Chapitre 1

Généralités sur la lumière laser

1.1 Source monochromatique

1.1.1 Introduction

Une source monochromatique émet un rayonnement électromagnétique représenté par une onde progressive sinusoïdale associée à une longueur d’onde bien déterminée. A une dimension et en notation complexe, le champ électromagnétique s’exprime, en fonction de la variable x et du temps t, comme étant :

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

où k est le nombre d’onde et w est la pulsation de l’onde ; k est liée à la longueur d’onde

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

par la relation :

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

est liée, respectivement, à la période temporelle T et à la fréquence v comme suit :

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

1.1.2 Gammes de longueurs d’onde

* Longueur d'onde l supérieure à 10^-11 m : Photons super-énergétiques. Ce sont les photons gammas, produits lors des réactions nucléaires, des désintégrations des particules... Ces photons sont arrêtés par notre atmosphère, mais sont extrêmement dangereux.

* l située entre 10^-11 et 10^-8 m : Rayons X, les mêmes que ceux utilisés pour effectuer des radios en médecine.

* l située entre 10^-8 et 4 x 10^-7 m : Il s’agit des rayons ultraviolets (U.V) qui assurent, entre autres, le bronzage.

* l située entre 4 x 10^-7 et 8 x 10^-7 m: c'est la lumière visible par l’œil humain. Le violet qui est le rayonnement visible le plus énergétique, a une longueur d'onde de 400 nm (4 x 10^-7 m) alors que le rouge, correspondant à la radiation visible la moins énergétique, rayonne dans les 800 nm (8 x 10^-7 m) (Figure 1.1).

[Image n’appartient pas dans la lecture.]

Figure 1.1 : Gamme du visible

* l située entre 8 x 10^-7 et 2 x 10^-4 m: il s'agit ici des rayons infrarouges (I. R).

* Pour une longueur d'onde supérieure à 2 x 10^-4 m jusqu'à 10 km, c'est le domaine des ondes radios.

1.2 Source réelle

Une source réelle n’est pas monochromatique et émet un rayonnement sur un intervalle de longueur d’onde de largeur

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

non nul et centré autour d’une longueur d’onde

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

(Figure 1.2). La monochromaticité d’une source est son aptitude à émettre un rayonnement situé dans un intervalle de longueur d’onde

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

très faible.

[Image n’appartient pas dans la lecture.]

Figure 1.2 : Intensité spectrale d’une source réelle

1.3 Signification du mot LASER

Le mot « Laser » est une abréviation anglo-saxonne qui signifie « Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation ». En Français, le laser signifie « Amplification de Lumière par Emission stimulée de Radiation ».

1.4 Caractéristiques du faisceau laser

Le rayonnement Laser se distingue par :

(i) sa monochromaticité : la couleur de la lumière émise est extrêmement pure de sorte qu’elle correspond à une onde quasi-monochromatique:

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

(ii) la directivité de son émission : toute la lumière est concentrée dans un pinceau rectiligne extrêmement fin appelé rayon laser. (Ce dernier est de l’ordre de 10^-12 m),

(iii) la valeur élevée de son intensité pour une longueur d’onde et une direction bien déterminées

1.5 Avantages du laser

Le Laser présente l’avantage de pouvoir compromettre entre ces trois caractéristiques.

1.5.1 Compromis intensité – monochromaticité

Ce compromis est traduit par l’intensité spectrale I(l) définie par [1]:

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

où dI est l’intensité (exprimée en W.m^-2) émise dans l'intervalle spectral

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

Ainsi, plus I( l) est élevée plus le compromis est assurée ce qui correspond à une lumière à la fois intense et monochromatique.

[Formule n’appartient pas dans la lecture.]

Lorsque I(l) est constante dans l’intervalle Dl alors l’intensité émise dans cet intervalle s’écrit :

[…]

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[1] René Farcy « Applications des lasers, Principes optiques avec problèmes commentés », Masson, 1993.