Bibliographie & annexes
Présentation
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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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Georges BOULON : Professeur - Institut Lumière Matière, Unité Mixte de Recherche CNRS 5306 - Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France
INTRODUCTION
Cet article sur les fondements des sources lasers à l’état solide est associé avec trois autres articles sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers [AF3276], les cristaux et l’optique non linéaires [AF3278] et la génération d’impulsions lasers courtes (ns) à ultracourtes jusqu’à la femtoseconde (fs) [AF3282].
Il a pour objectif de présenter 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.
Nous définissons le vocabulaire sur les notions de base comme le pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs, les principaux éléments d’une source laser, les transitions d’absorption et d’émission des centres actifs, la population des niveaux d’énergie et particulièrement des systèmes à 3 et 4 niveaux appliqués aux lasers, les coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite), les sections efficaces d’absorption et d’émission, la durée de vie d’un niveau d’énergie. Enfin, pour la cavité résonnante nous définissons l’intensité émise par le faisceau laser, l’optique des faisceaux gaussiens, les caractéristiques spectrales, les modes et la cohérence.
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- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
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Transitions d’absorption et d’émission des centres actifs
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2. Principaux éléments d’une source laser
L’amplification attendue avec les sources précédemment citées 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 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 semi-conducteurs 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...
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Principaux éléments d’une source laser
BIBLIOGRAPHIE
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(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 inorganiques : 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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