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Auteur(s)
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Jean-Pierre PRENEL : Professeur à l’Université de Franche-Comté
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Lire l’articleINTRODUCTION
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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Modes de pompage
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2. Poids de la thermodynamique
2.1 Équilibre thermique d’une population d’atomes
L’obligation de raisonner sur une population d’atomes ou de molécules impose d’envisager l’équilibre thermodynamique d’un tel ensemble. Dès 1917, A. Einstein, après avoir modélisé les phénomènes d’absorption et d’émission, a cherché à corréler ses hypothèses 1.2 avec l’incontournable loi statistique de Boltzmann, qui prévoit la répartition naturelle de l’énergie d’un système physique en fonction de la température thermodynamique T : une population de N 2 atomes excités (énergie E 2) cohabitant avec N 1 atomes à l’état inférieur E 1 , doit obéir à la relation d’équilibre :
( 4 )
où k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 · 10−23 J · K−1).
Cette relation permettant de déterminer l’ordre de grandeur des populations pouvant coexister sur deux niveaux d’énergie E 1 et E 2 , on est amené naturellement à regarder quelle est la situation à température ambiante : T = 300 K donnant kT ≈ 0,025 eV, un écart d’énergie E 2 − E 1 de cette même valeur conduit à :
36 % des atomes peuvent être naturellement sur le niveau excité E 2 et 64 % « au repos ».
1 eV = 1,6 · 10−19...
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Poids de la thermodynamique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EINSTEIN (A.) - Zur Quanten Theorie der Strahlung. - Phys. Zeit., 18, p. 121-128, 1917.
-
(2) - BITTER (F.) - * - Phys. Rev., 76, 833, 1949.
-
(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.
-
(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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