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Auteur(s)
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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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Poids de la thermodynamique
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1. Niveaux d’énergie et transitions
1.1 Dualité onde-corpuscule
Le but de ce paragraphe n’est pas de répondre en détail à la question complexe « Qu’est-ce que la lumière ? » Il est toutefois difficile de parler de laser sans évoquer le problème de la nature du rayonnement. Celui-ci est-il plutôt une onde ou plutôt constitué de corpuscules ? Le débat agitait déjà les esprits des plus illustres philosophes grecs (Aristote avait « pressenti » la nature ondulatoire, Empédocle et Pythagore, la nature corpusculaire). Après des siècles de réflexion, de recherche et... de polémique, la science moderne répond aujourd’hui par une formule qui peut paraître ambiguë mais qui, en fait, résume bien l’état de nos connaissances : la lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme des corpuscules.
Un peu d’histoire
Qui a inventé le laser ?
Comme pour la plupart des grandes aventures scientifiques, cette question n’a pas de réponse simple.
Tout commence en 1917 : Albert Einstein, toujours lui, qui cherche à comprendre les phénomènes d’interaction entre la lumière et la matière, décrit pour la première fois, le phénomène d’émission stimulée (ou induite) . Pendant les décennies qui suivent, jusqu’au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, les physiciens s’évertuent à percer les secrets de l’atome ; parmi eux, la communauté des spectroscopistes construit avec obstination un immense catalogue des niveaux d’énergie des atomes et molécules à partir des raies d’émission correspondantes.
Par ailleurs, au cours des années de guerre 1940-45, ingénieurs et physiciens se concentrent sur la théorie et la technologie des cavités résonnantes électromagnétiques avec un objectif essentiel pour les belligérants : la mise au point des systèmes radar.
À ces pièces du puzzle, préfigurant les futurs constituants du laser (milieu émissif et cavité résonnante optique), il faut ajouter les travaux français de l’après-guerre, menés...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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.
-
(4) - GORDON (J.P.), ZEIGER (H.J.), TOWNES (C.H.) - * - Phys. rev., 95, 282, 1954.
-
(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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