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Le Laser

Le laser est une des inventions les plus utilisées de l'homme. C'est un peu la lumière telle qu'un physicien peut la rêver : une couleur très précise, réunie en un faisceau très puissant, très étroit et très directif. Nous allons essayer de comprendre maintenant comment ça marche un peu en détail.

Quand un atome reçoit un photon (un "grain de lumière") de la bonne couleur (un photon est toujours caractérisé par une couleur précise) il peut l'absorber et devenir "excité". En fait, un des électrons qui entourent le noyau a "changé de place" dans l'affaire.

Un atome excité peut émettre un photon de la même couleur que celui qu'il a absorbé et revenir à son état fondamental. Bref, il recrache le photon. C'est un phénomène spontané, qui peut prendre plus ou moins de temps. Il y a des atomes pour lesquels cela peut vraiment prendre beaucoup de temps : c'est ce qu'on appelle la phosphorescence !

Mais il y a un troisième phénomène. Si jamais un atome excité voit passer un photon de la bonne couleur (toujours la même) il peut se désexciter en émettant un photon exactement dans la même direction, avec la même couleur que celui qui passe. Bref, au lieu d'un photon, on en a deux. C'est ce qu'on appelle l'émission stimulée.

Finalement, on peut amplifier la lumière en utilisant ce phénomène. C'est exactement le principe du laser ! Mais ça ne va pas tout seul.

D'abord, on place des atomes dans une cavité : ils sont coincés entre deux miroirs. Si on veut amplifier de la lumière, il faut qu'il y ait plus d'atomes excités que d'atomes dans leur état fondamental. Les premiers amplifient la lumière, les second l'absorbent. Il faut donc, pour amplifier, qu'il y ait plus d'atomes excités - c'est pour cela qu'on utilise des atomes qui mettent du temps à se désexciter. Et puis il faut en exciter le plus possible. Cela s'appelle l'inversion de population : alors qu'en temps normal il n'y a pratiquement que des atomes dans leur état fondamental, il faut qu'on arrive à plus d'atomes excités que d'atomes non excités.

Pour cela, on éclaire les atomes par le dessus - très fort, de manière à en exciter le plus possible. Cet éclairage s'appelle le pompage. Pour que le laser démarre, il faut pomper fort.

A un moment, un atome se désexcite. Sa lumière provoque la désexcitation de ses voisins. Comme une réaction en chaîne. Puis cette lumière est réfléchie par le miroir et elle revient sur ses pas. Elle repasse dans le milieu amplificateur, et elle est encore amplifiée : tous les photons qui sont émis ont la même direction et exactement la même couleur. Et ainsi de suite.

En fait, un des miroirs n'est pas tout à fait transparent. Il laisse passer une toute petite partie de la lumière : c'est celle qui sort du laser. Elle a pour propriété d'avoir une couleur très précise : celle qui correspond à l'excitation ou à la désexcitation de l'atome. Toute la lumière va dans une seule direction, bien perpendiculaire aux miroirs. A l'inverse d'une ampoule, qui éclaire un peu partout, le rayonnement laser va tout droit.

Bon, ça c'est le fonctionnement des gros lasers, des lasers puissants et de ceux qui sont de bonne qualité. Mais pour avoir le laser d'un lecteur CD ou d'un pointeur laser, on utilise plutôt une diode laser.

Vous savez maintenant comme fonctionne un laser : il faut pomper, pour obtenir l'inversion de population et que la lumière puisse être amplifiée à l'intérieur de la cavité laser grâce à l'émission stimulée. Ensuite, on peut prélever une partie de cette lumière. LASER signifie : Light Amplification by Stimulated Emission Radiation. Soit : Amplification de la Lumière par Emission Stimulée Radiation. Le "Radiation" c'est juste pour faire LASER, pas LASE. Parce que LASE, c'est un peu naze.