Qu'est-ce qu'un laser ? Le principe de la génération laser

Le laser est l’une des inventions importantes de l’humanité, connu comme la « lumière la plus brillante ». Dans la vie quotidienne, nous pouvons souvent voir diverses applications du laser, telles que la beauté au laser, le soudage au laser, les tueurs de moustiques au laser, etc. Aujourd'hui, voyons en détail les lasers et les principes qui sous-tendent leur génération.

Qu'est-ce qu'un laser ?

Le laser est une source de lumière qui utilise un laser pour générer un faisceau de lumière spécial. Un laser génère une lumière laser en injectant de l'énergie provenant d'une source de lumière externe ou d'une source d'énergie dans le matériau via le processus de rayonnement stimulé.

Un laser est un dispositif optique composé d'un milieu actif (tel qu'un gaz, un solide ou un liquide) capable d'amplifier la lumière et d'un réflecteur optique. Le milieu actif d’un laser est généralement un matériau sélectionné et traité, et ses caractéristiques déterminent la longueur d’onde de sortie du laser.

La lumière générée par les lasers présente plusieurs caractéristiques uniques :

Premièrement, les lasers sont une lumière monochromatique avec des fréquences et des longueurs d’onde très strictes, qui peuvent répondre à certains besoins optiques particuliers.

Deuxièmement, le laser est une lumière cohérente et la phase des ondes lumineuses est très cohérente, ce qui peut maintenir une intensité lumineuse relativement stable sur de longues distances.

Troisièmement, les lasers émettent une lumière hautement directionnelle avec des faisceaux très étroits et une excellente focalisation, qui peuvent être utilisés pour atteindre une résolution spatiale élevée.

Le laser est une source de lumière

Le principe de la génération laser

La génération d'un laser implique trois processus physiques de base : le rayonnement stimulé, l'émission spontanée et l'absorption stimulée.

Srayonnement stimulé

Le rayonnement stimulé est la clé de la génération laser. Lorsqu'un électron à un niveau d'énergie élevé est excité par un autre photon, il émet un photon avec la même énergie, fréquence, phase, état de polarisation et direction de propagation dans la direction de ce photon. Ce processus est appelé rayonnement stimulé. C’est-à-dire qu’un photon peut « cloner » un photon identique grâce au processus de rayonnement stimulé, obtenant ainsi une amplification de la lumière.

Sémission pontanée

Lorsqu'un atome, un ion ou un électron d'une molécule passe d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie faible, il libère des photons d'une certaine quantité d'énergie, appelée émission spontanée. L'émission de ces photons est aléatoire et il n'y a aucune cohérence entre les photons émis, ce qui signifie que leur phase, leur état de polarisation et leur direction de propagation sont tous aléatoires.

Sabsorption stimulée

Lorsqu’un électron à faible niveau d’énergie absorbe un photon avec une différence de niveau d’énergie égale au sien, il peut être excité à un niveau d’énergie élevé. Ce processus est appelé absorption stimulée.

Dans les lasers, une cavité résonante composée de deux miroirs parallèles est généralement utilisée pour améliorer le processus de rayonnement stimulé. Un miroir est un miroir à réflexion totale et l'autre miroir est un miroir à semi-réflexion, qui peut laisser passer une partie du laser.

Les photons dans le milieu laser réfléchissent entre deux miroirs, et chaque réflexion produit plus de photons grâce au processus de rayonnement stimulé, obtenant ainsi une amplification de la lumière. Lorsque l’intensité de la lumière augmente dans une certaine mesure, un laser est généré à travers un miroir semi-réfléchissant.