Le l.a.s.e.r.

L.A.S.E.R.

1ere année de DUT GEII 2009
Introduction

Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée.
Le terme laser provient de l’acronyme anglo-américain « light amplification by stimulated emission of radiation » ( « amplification de la lumière par émission stimulée de radiation »).
Le laserproduit une lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l’effet laser.
Descendant du maser, le laser s’est d’abord appelé maser optique.

L’histoire du Laser

* 1917 : Découverte du principe de l’émission stimulée par Einstein. C’est le processus de désexcitation d’un électron favorisé en illuminant l’atome d’une lumière ayant une longueur d’onde correspondant à l’énergie detransition entre les deux états électroniques.

* 1950 : Proposition du procédé de pompage optique par Kastler. Il permet de modifier les états des atomes à l’aide d’une irradiation lumineuse polarisée.

* 1958 : Conception du Maser, l’ancêtre du laser, par Gordon, Zeiger et Townes. De nombreux scientifiques travailleront sur le Maser jusqu’en 1964.

* 1960 : Première émission laserau moyen d’un cristal de rubis. (Maiman)

* 1961 : Premier laser au gaz.

* 1965 : Premiere application avec un laser à rubis : réalisation d’un perçage dans du diamant. (Cette tâche s’effetue en 15 minutes au lieu de 24h)

* 1966 : Premier laser liquide.

* 1967 : Première tête de découpe.

* 1972 : Le laser devient un moyen de lecture (lecteur de code barres puislaserdisc et disque compact).

* 1980 : Le laser s’impose comme un outil de production industriel dans le micro-usinage.

* Mai 2009 : Le laser devient notre sujet d’exposé.

Le fonctionnement

Pour expliquer le fonctionnement du laser, il nous faut introduire 3 principes d’interaction entre la lumière et la matière.
Un photon peut interagir avec un atomes suivant 3 processus :-L’émission spontanée
-l’absorption
-l’émission stimulée
On considèrera l’image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du noyau atomique. Pour nos explications le système aura deux niveaux d’énergie E1 et E2. (avec E2>E1)
L’émission spontanée:
Un atome excité au niveau E2 a une durée de vie limitée et passe spontanément auniveau E1. Lorsqu’il descend d’un niveau il émet un photon de fréquence n telle que hn = E2 – E1. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire, et sa fréquence est égale à la fréquence de Bohr ?nn’.
En notant N2(t) le nombre d’atomes dans le niveau supérieur 2, ses variations sont données par:
dN2/dt = -A.N2(t)
Le coefficient A représente la probabilité d’émission spontanée par unité detemps. Son inverse t = A-1 représente la durée de vie moyenne de l’état excité 2 (en général de l’ordre de 10-8 à 10-9 s).
Elle est spontanée en ce sens qu’il est impossible d’exercer une action qui la modifie.
L’absorption:
C’est le processus inverse de l’émission spontanée, un photon de fréquence n est absorbé par un atome dans le niveau E1 qui passe ainsi au niveau supérieur E2.
Lenombre d’atomes qui absorbent par unité de temps noté (-dN1 /dt )abs est proportionnel au nombre d’atomes susceptibles d’absorber N1(t) et à la densité spectrale d’énergie par unité de volume u(n) :
(-dN1/dt)abs=B.u(n).N1(t).
Le coefficient B est appelé coefficient d’Einstein pour l’absorption.
Émission stimulée:
La transition du niveau E2 vers le niveau E1 est stimulée par un photon de fréquencen c’est à dire d’énergie égale à E2 – E1. Donc lorsque le niveau E2 rencontre un photon, il passe au niveau E1 en émettant un photon. Le photon produit sera indiscernable du photon rencontré, même phase, même direction.
Le processus a de nombreux caractères communs avec l’absorption et est représenté par des équations analogues, en particulier on obtient : (dN1 /dt)es = (-dN2 /dt)es = B.u…