Certes Einstein avait prévu le phénomène d’émission stimulée dès 1927, mais il a fallu attendre jusqu’en 1960 pour que la première réalisation du laser puisse voir le jour. Ce fut sous la forme du maser optique à rubis construit par Maiman. Environ cinquante ans après leur découverte, les lasers se révèlent toujours un axe de recherche à la fois prometteur et actif dont les applications sont de plus en plus pertinentes et de grand intérêt.
Ceci a constitué la motivation principale qui nous a incité à rédiger ce manuel de cours qui s’articule autour des fondamentaux du laser. Nous nous sommes attachés à présenter un contenu simple qui met en relief les notions élémentaires de la physique du laser sans renter dans des détails complexes qui risquent de nuire au message principal que nous voulons transmettre essentiellement aux étudiants débutants en l’occurrence ceux de la licence. Ainsi, nous avons évité les calculs fastidieux qui caractérisent en général des formalismes mathématiques laborieux. Notre démarche consiste donc à vulgariser la présentation de ce cours afin qu’il soit facile d’accès.
En bref, ce manuel offre le tout premier contact avec les propriétés du laser et ouvre la voie pour approfondir amplement ses connaissances à ce sujet.
Le chapitre 1 est dédié à des généralités au sujet de la lumière laser.
Le chapitre 2 présente les mécanismes d’émission spontanée, d’absorption et d’émission stimulée.
Dans le Chapitre 3, nous focalisons l’intérêt sur le principe de base du laser.
Le Chapitre 4 décortique chacun des éléments qui constituent le dispositif laser.
Le Chapitre 5 donne et explique la nature mathématique du faisceau laser en mettant en relief les propriétés de son extension spatiale.
Dans le Chapitre 6, il est question de passer en revue les différents types des lasers.
Enfin, le Chapitre 7 est consacré à la présentation de quelques applications des lasers.
Mots clés: Laser; Emission stimulée; Principe de fonctionnement; Caractéristiques du dispositif laser, Faisceau gaussien; Types du laser; Applications.
Table des matières
Chapitre 1 Généralités sur la lumière laser
1.1 Source monochromatique
1.1.1 Introduction
1.1.2 Gammes de longueurs d’onde
1.2 Source réelle
1.3 Signification du mot LASER
1.4 Caractéristiques du faisceau laser
1.5 Avantages du laser
1.5.1 Compromis intensité - monochromaticité
1.5.2 Compromis intensité - directivité
1.5.3 Compromis simultané – intensité – monochomaticité – directivité
1.5.4 Applications
1.6 Modes du laser
Chapitre 2 Mécanismes d’émission et d’absorption
2.1 Loi de Boltzmann à l’équilibre thermodynamique
2.2 Mécanismes d’absorption – émission
2.2.1 Emission spontanée
2.2.2 Absorption
2.2.3 Emission stimulée
Chapitre 3 Principe de base du laser
3.1 Position du problème
3.2 Processus mis en jeu
3.3 Principe de fonctionnement du laser
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Caractéristiques du dispositif laser
4.1 Système de pompage
4.2 Milieu actif
4.2.1 Fréquence propre du milieu actif
4.2.2 Bande passante du milieu actif
4.2.3 Gain du milieu actif
4.2.4 Condition portant sur le gain
4.3 Cavité optique
4.4 Bilan synthétique
4.5 Types de cavités
4.5.1 Position du problème
4.5.2 Cavité à miroir sphériques
4.5.3 Stabilité de la cavité
Chapitre 5 Faisceau gaussien
5.1 Introduction
5.2 Paramètres d’un faisceau gaussien
5.2.1 Largeur
5.2.2 Portée de Rayleigh
5.2.3 Rayon de courbure
5.2.4 Divergence
5.3 Intensité d’un faisceau gaussien
Chapitre 6 Aperçu sur les différents types du laser
6.1 Introduction
6.2 Lasers cristallins
6.2.1 Milieu actif
6.2.2 Longueur d’onde d’émission
6.2.3 Applications
6.3 Lasers à gaz
6.3.1 Milieu actif
6.3.2 Longueur d’onde d’émission
6.3.3 Applications
6.4 Lasers à semi-conducteurs
6.4.1 Milieu actif
6.4.2 Longueur d’onde d’émission
6.4.3 Applications
6.5 Lasers à fibre
6.5.1 Milieu actif
6.5.2 Longueur d’onde d’émission
6.5.3 Applications
6.6 Lasers à colorants
6.6.1 Milieu actif
6.6.2 Longueur d’onde d’émission
6.6.3 Applications
6.7 Lasers à électrons libres
6.7.1 Milieu actif
6.7.2 Longueur d’onde d’émission
6.7.3 Applications
Chapitre 7 Quelques applications des lasers
7.1 Diffractométrie
7.2 Applications énergétiques
7.2.1 Position du problème
7.2.2 grandeurs physiques mises en jeu
7.2.3 Variation de la température
7.2.4 Fusion et soudure
7.2.5 Découpe
7.2.6 Vaporisation
7.2.7 Microchirugie
7.3 Applications au transport de l’information
7.3.1 Alignement
7.3.2 Télécommunications
7.3.3 Mesure des longueurs
Objectif et thématiques
Ce manuel de cours a pour objectif principal de présenter de manière vulgarisée et accessible les principes fondamentaux de la physique du laser aux étudiants débutants, notamment en cycle de licence. Il s'attache à expliquer le fonctionnement des lasers en évitant les formalismes mathématiques complexes pour se concentrer sur les propriétés physiques et les applications concrètes.
- Propriétés physiques de la lumière laser (monochromaticité, directivité, intensité).
- Mécanismes d'émission (spontanée, stimulée) et d'absorption.
- Principes de fonctionnement des dispositifs laser et cavités optiques.
- Classification des différents types de lasers (cristallins, à gaz, fibre, etc.).
- Applications technologiques et scientifiques des lasers dans divers secteurs.
Auszug aus dem Buch
1.3 Signification du mot LASER
Le mot « Laser » est une abréviation anglo-saxonne qui signifie « Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation ». En Français, le laser signifie « Amplification de Lumière par Emission stimulée de Radiation ».
1.4 Caractéristiques du faisceau laser
Le rayonnement Laser se distingue par :
(i) sa monochromaticité : la couleur de la lumière émise est extrêmement pure de sorte qu’elle correspond à une onde quasi-monochromatique (∆λ = 10^-12 m),
(ii) la directivité de son émission : toute la lumière est concentrée dans un pinceau rectiligne extrêmement fin appelé rayon laser. (Ce dernier est de l’ordre de 10^-12 m),
(iii) la valeur élevée de son intensité pour une longueur d’onde et une direction bien déterminées
1.5 Avantages du laser
Le Laser présente l’avantage de pouvoir compromettre entre ces trois caractéristiques.
1.5.1 Compromis intensité – monochromaticité
Ce compromis est traduit par l’intensité spectrale I(λ) définie par [1]:
dI = I(λ) dλ
où dI est l’intensité (exprimée en W.m^-2) émise dans l'intervalle spectral dλ. Ainsi, plus I(λ) est élevée plus le compromis est assurée ce qui correspond à une lumière à la fois intense et monochromatique. I(λ) s'exprime en W.m^-3.
Résumé des chapitres
Chapitre 1 Généralités sur la lumière laser: Ce chapitre introduit les propriétés de base de la lumière laser, telles que la monochromaticité et la directivité, et explique la signification de l'acronyme.
Chapitre 2 Mécanismes d’émission et d’absorption: Il détaille les processus fondamentaux d'émission spontanée, d'émission stimulée et d'absorption des photons au sein d'un système à deux niveaux.
Chapitre 3 Principe de base du laser: Ce chapitre expose la nécessité de l'inversion de population et du pompage pour obtenir un effet laser, ainsi que le rôle de la cavité optique.
Chapitre 4 Caractéristiques du dispositif laser: Il analyse les systèmes de pompage, la notion de gain du milieu actif et les différents types de cavités optiques nécessaires au fonctionnement laser.
Chapitre 5 Faisceau gaussien: Ce chapitre explique la nature mathématique du faisceau laser sous forme de faisceau gaussien et ses paramètres spatiaux caractéristiques.
Chapitre 6 Aperçu sur les différents types du laser: Il passe en revue les six grandes familles de lasers, incluant les lasers cristallins, à gaz et à semi-conducteurs, ainsi que leurs applications.
Chapitre 7 Quelques applications des lasers: Enfin, ce chapitre présente diverses applications pratiques des lasers, allant de la diffractométrie et l'industrie à la chirurgie et aux télécommunications.
Mots-clés
laser, émission stimulée, cavité optique, milieu actif, faisceau gaussien, pompage, monochromaticité, directivité, intensité spectrale, inversion de population, laser à gaz, laser cristallin, télécommunications, soudure laser, physique des lasers.
Foire aux questions
De quoi traite principalement cet ouvrage ?
Ce livre traite des bases physiques des lasers, en expliquant les mécanismes d'émission, la conception des dispositifs laser et la manière dont leurs caractéristiques uniques sont exploitées dans diverses applications.
Quels sont les thèmes centraux abordés ?
Les thèmes centraux incluent l'émission stimulée, l'inversion de population, les propriétés du faisceau (directivité, monochromaticité), les types de cavités et la classification des lasers par milieu actif.
Quel est l'objectif principal de ce manuel ?
L'objectif est de vulgariser la physique du laser pour les étudiants en licence, en fournissant un contenu simple et accessible sans recours à des calculs mathématiques trop complexes.
Quelle approche méthodologique est utilisée ?
L'auteur utilise une approche pédagogique et descriptive, privilégiant les explications conceptuelles et les exemples physiques plutôt que le formalisme mathématique laborieux.
Quels sujets sont traités dans la partie principale ?
La partie principale détaille les mécanismes quantiques d'émission, les conditions nécessaires à l'amplification laser, la géométrie des faisceaux gaussiens et un panorama des différents types de lasers existants.
Quels mots-clés définissent le mieux ce travail ?
Les mots-clés incluent : laser, émission stimulée, cavité optique, milieu actif, faisceau gaussien, pompage et applications laser.
Pourquoi l'inversion de population est-elle cruciale ?
L'inversion de population est indispensable car, à l'équilibre thermodynamique, la population du niveau inférieur est supérieure à celle du supérieur. Le laser nécessite l'inverse pour favoriser l'émission stimulée.
En quoi consiste le pompage ?
Le pompage est une opération permettant d'exciter les électrons du milieu actif vers des niveaux d'énergie supérieurs, assurant ainsi l'inversion de population requise pour l'effet laser.
Quelle est la différence entre un laser à gaz et un laser cristallin ?
La différence majeure réside dans le milieu actif : le laser à gaz utilise un gaz dans un tube, tandis que le laser cristallin utilise un cristal ou un verre dopé par des ions.
Comment le laser est-il utilisé en médecine ?
Le laser est utilisé en chirurgie pour ses propriétés de focalisation, permettant des actes précis sans hémorragie, comme la soudure de la rétine ou les interventions de type "bistouri".
- Arbeit zitieren
- Nabil Safta (Autor:in), 2014, Les fondamentaux du laser, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/375157
