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Auteur(s)
-
Jean-Pierre PRENEL : Professeur à l’Université de Franche-Comté
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En quelques années, le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est passé du statut d’appareil de laboratoire pour physicien à celui de système industriel très répandu.
L’objectif de cet article est donc de permettre aux très nombreux utilisateurs non spécialistes de comprendre le fonctionnement de cette source de lumière très particulière et de se familiariser avec ses différentes configurations pratiques.
La démarche proposée consiste à présenter en première partie les phénomènes physiques variés contribuant à l’émission de lumière cohérente, ainsi que les propriétés spécifiques de cette lumière. L’article suivant présente les principaux appareils présents sur le marché, en respectant le traditionnel classement en deux familles : lasers à solides et lasers à gaz. Avant la lecture de ce texte, il peut être profitable de consulter quelques articles du thème « optique » du traité de Sciences fondamentales, notamment « optique ondulatoire », « optique des milieux matériels » et « optique cohérente ».
Les applications, très nombreuses, ne sont pas traitées dans cet article. Le lecteur intéressé par un domaine d’application spécifique pourra trouver les informations adaptées dans les traités spécialisés : mécanique (traitement des matériaux, usinage), électricité (optronique, communications)...
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Amplification optique
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3. Modes de pompage
3.1 Pompage optique
Mis au point en 1950 sur le plan théorique par l’équipe de A. Kastler, le pompage optique fut le premier à provoquer l’effet laser dans le rubis (T.H. Maiman, 1960) ; il est toujours utilisé aujourd’hui : une lampe à décharge impulsionnelle puissante délivre un intense flash de lumière dans un large spectre (lumière blanche et ultraviolette). Le plus souvent, le processus est répétitif avec une fréquence de quelques hertz à quelques dizaines de hertz, imposée par le fonctionnement de la lampe elle-même et par les phénomènes thermiques. Le mécanisme simplifié des systèmes à 3 ou 4 niveaux, présenté ci-dessus, exige un pompage très sélectif pour alimenter le niveau E 2 (figure 4 b ) ou E 3 (figure 4 c ). La fréquence correspondante étant prélevée dans le spectre large du flash, le rendement de l’opération serait très faible et conduirait à des lampes de puissance prohibitive. En réalité, on peut mettre à profit l’existence de larges bandes d’absorption, quasi-continues, situées dans l’échelle énergétique au-dessus de E 2 ou E 3 : ces bandes se peuplent abondamment en prélevant l’énergie du flash sur une large partie de son spectre ; une série de désexcitations rapides alimente ensuite le niveau supérieur du processus à 3 ou 4 niveaux. Les matériaux adaptés à ce mode de pompage sont en fait des cristaux, dont la maille recèle des impuretés possédant les niveaux d’énergie spécifiques qui permettent d’obtenir la bonne configuration globale. C’est le cas notamment de l’ion chrome (Cr+++) qui permet de constituer le cristal de rubis, en l’insérant dans une maille d’alumine Al2O3 (cf. article Lasers à gaz et à solides).
Le rendement de ce type de pompage reste cependant faible en raison de la dispersion spatiale de la lumière du flash, de la présence dans cette lumière de longueurs d’onde inutiles et bien sûr des transitions non radiatives...
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Modes de pompage
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EINSTEIN (A.) - Zur Quanten Theorie der Strahlung. - Phys. Zeit., 18, p. 121-128, 1917.
-
(2) - BITTER (F.) - * - Phys. Rev., 76, 833, 1949.
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(3) - KASTLER (A.) - * - J. Phys. Rad., 11, 255, 1950.
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(4) - GORDON (J.P.), ZEIGER (H.J.), TOWNES (C.H.) - * - Phys. rev., 95, 282, 1954.
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(5) - SCHAWLOW (A.L.), TOWNES (C.H.) - Infrared and optical masers. - Phys. Rev., 112, 1940-1949, 1958.
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(6) - MAIMAN (T.H.) - Stimulated optical radiation in ruby. - Nature, 187, 493-494, 1960.
-
(7) - JAVAN (A.), BENNETT (W.R.), HERRIOT (D.R.) - Population inversion and continuous optical...
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