Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente la physique fondamentale des sources lasers à l’état solide, incluant les bases de l’émission laser et les propriétés optiques et électroniques des matériaux lasers. Les principales parties traitent spécifiquement des matériaux lasers comme les cristaux et les verres dopés par les ions de transition ou les ions de terres rares, l’histoire, les diagrammes de niveaux d’énergie, la population des niveaux d’énergie, l’inversion de population, les systèmes à 3 et 4 niveaux, les mécanismes d’absorption et d’émission, les émissions spontanées et stimulées, l’amplification, la cavité laser, l’optique des faisceaux lasers gaussiens, les modes et la cohérence des faisceaux lasers.
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This article presents the fundamental physics of solid-state laser-type materials, including the basis of laser action and the optical and electronic properties of laser materials. The main parts deal specifically with solid-state laser-type materials such as inorganic crystals and glasses doped with transition metal and rare earth ions: background, energy level diagrams, population of energy levels, inversion of population, 3- and 4-level schemes, absorption and emission mechanisms, spontaneous and stimulated emissions, amplification, the laser resonator, optics of Gaussian laser beams, and modes and coherence of laser beams.
Auteur(s)
-
Georges BOULON : Professeur des Universités - Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents - Université Claude Bernard Lyon 1 - Unité Mixte de Recherche CNRS 5620
INTRODUCTION
Cet article sur la physique du laser est l’un des six articles relatif à la présentation générale des sources laser à l’état solide qui inclut en outre la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers, les cristaux et l’optique non linéaire, et la génération des impulsions laser d’abord jusqu’à la picoseconde puis jusqu’aux ultra-brèves à l’échelle de la femtoseconde. Il a pour objectif de situer le thème des sources laser à l’état solide et de décrire les principaux paramètres physiques, essentiellement optiques, nécessaires à une bonne compréhension de leur fonctionnement.
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KEYWORDS
energy level diagrams | laser materials | dopant ions | laser cavity | coherence
VERSIONS
- Version courante de juil. 2016 par Georges BOULON
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Transitions d’absorption et d’émission des centres actifs2. Principaux éléments d’une source laser
L’amplification attendue avec ces sources est possible en jouant sur les variations électroniques de population des niveaux d’énergie qui caractérisent les atomes mis en jeu entre le niveau fondamental et les niveaux excités après l’action du pompage optique, notion introduite en 1951 par Alfred Kastler, alors professeur à la Faculté des sciences de Paris.
Il convient de connaître a priori les diagrammes de niveaux d’énergie des ions actifs que l’on rencontre dans les trois états de la matière : He-Ne, Ar, Kr, CO2, CO, excimères dans les gaz, colorant organique dans les liquides et ions de terres rares ou ions de transition luminescents dans les solides. Le point clé pour réussir l’opération est d’inverser les populations électroniques entre le niveau d’énergie émetteur et le niveau final de la transition optique. Il s’agit en fait de diminuer l’importance de l’absorption des atomes par rapport à l’émission stimulée qu’ils sont susceptibles de produire. Comme dans toutes les sources, ce sont, en fait, des trains d’onde qui sont émis mais à la différence des sources de lumière d’éclairage délivrant des trains d’onde d’émission spontanée dans toutes les directions sans relation ni d’amplitude, ni de phase entre eux, les lasers émettent des trains d’ondes d’émission stimulée dits cohérents dont les interférences sont essentiellement constructives dans une seule direction. Il est facile de comprendre que la réussite de cette opération d’amplification dépend des paramètres spectroscopiques et thermiques qui caractérisent le milieu actif mais il dépend aussi beaucoup de la nature de la source excitatrice, ou plutôt de la source de pompage, et de ses limites en puissance. Le pompage optique est fournisseur de photons qui entrent en collision avec les électrons des couches actives des colorants dans les liquides ou des ions luminescents insérés dans les solides. Le pompage électrique, quant-à-lui, est mis en œuvre par établissement d’une différence de potentiel dans un gaz provoquant des collisions entre atomes et molécules ou entre électrons et des ions mais aussi dans les solides semiconducteurs comme AsGa ou AlAsGa entraînant les recombinaisons d’électrons et de trous entre une bande de conduction et une bande de valence.
Il est aussi assez intuitif d’imaginer que l’amplification obtenue dépend de la longueur...
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Principaux éléments d’une source laser
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Les Lasers et Leurs Applications Scientifiques et Médicales, - Édition C. Fabre et J. P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996). 1.1 C. Fabre, Les Lasers -Principes Fondamentaux, pp. 1-40. 1.2 G. Boulon, Matériaux pour Lasers à Solide, pp. 259-286. 1.3. H. Monerie, Fibres optiques dopées et applications, pp. 357-382.
-
(2) - BOULON (G.) - Les solides luminescents iorganiques : un dopage réussi. - Numéro spécial de L’Actualité Chimique, no 11 et Lettre des Sciences Chimiques du CNRS, no 72 (1999) pp. 96-105.
-
(3) - KOECHNER (W.) - Solid State Laser Engineering. - Springer, Berlin (1976).
-
(4) - SIEGMANN (A.E.) - An Introduction to Lasers and masers, - Mc Graw Hill, New York (1971).
-
(5) - KAMINSKII (A.A.) - Laser Crystals. - Their physics and Spectroscopy, Springer-Verlag (1981) and (1990).
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