Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux
Le laser
Émission stimulée, monochromaticité, cohérence, applications
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Le **laser** (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) produit un faisceau lumineux aux propriétés remarquables grâce à l'**émission stimulée**. Quand un photon d'énergie $h\nu = E_2 - E_1$ rencontre un atome excité (niveau $E_2$), il provoque l'émission d'un second photon identique : même fréquence, même direction, même phase. C'est l'**émission stimulée**, à distinguer de l'**émission spontanée** (aléatoire). Le laser nécessite un milieu amplificateur (**inversion de population**), un **pompage** (pour exciter les atomes) et une **cavité résonante** (miroirs). Le faisceau laser est **monochromatique** (une seule longueur d'onde), **directif** (très peu divergent), **cohérent** (les photons sont en phase) et **intense**. Applications : télécommunications (fibres optiques), médecine (chirurgie), industrie (découpe), lecture optique (CD/DVD/Blu-ray).
Le laser repose sur un phénomène prédit par Einstein en 1917 : l'**émission stimulée**. Un photon incident « clone » un photon identique en désexcitant un atome. C'est l'amplification de la lumière.
- **Émission spontanée** : un atome excité retombe spontanément à un niveau inférieur en émettant un photon dans une direction aléatoire.
- **Émission stimulée** : un photon incident provoque la désexcitation d'un atome, émettant un second photon identique (même $\nu$, même direction, même phase).
- L'émission stimulée amplifie la lumière : $1$ photon $\rightarrow 2$ photons $\rightarrow 4 \rightarrow 8$… (amplification en cascade).
- Condition : le photon incident doit avoir exactement l'énergie $h\nu = E_2 - E_1$ correspondant à la transition.
- L'**absorption** est le processus concurrent : un photon est absorbé par un atome au niveau bas.
- Pour que l'amplification l'emporte sur l'absorption, il faut plus d'atomes excités que d'atomes au repos (**inversion de population**).
Exemple
Laser He-Ne : les atomes de néon sont excités au niveau $E_2$. Un photon de $\lambda = 632{,}8\ \mathrm{nm}$ (rouge) passe $\rightarrow$ il stimule un atome excité $\rightarrow 2$ photons identiques. Ces $2$ photons en stimulent $2$ autres $\rightarrow 4$, puis $8$, $16$… Le faisceau s'amplifie.
Piège à éviter
Sans inversion de population, l'absorption domine : plus de photons sont absorbés que stimulés. Le **pompage** est indispensable pour maintenir plus d'atomes excités que d'atomes au repos.
Un laser a trois composants essentiels : un **milieu amplificateur** (les atomes), une source de **pompage** (pour exciter les atomes) et une **cavité à miroirs** (pour amplifier par allers-retours).
- **Milieu amplificateur** : gaz (He-Ne), solide (Nd:YAG, rubis), semi-conducteur (diode laser), liquide (colorants).
- **Pompage** : source d'énergie externe (flash lumineux, courant électrique) qui crée l'inversion de population.
- **Cavité résonante** : deux miroirs parallèles (un totalement réfléchissant, un semi-réfléchissant) pour faire osciller la lumière.
- Les photons font des allers-retours dans la cavité, amplifiant la lumière à chaque passage.
- Le faisceau sort par le miroir semi-réfléchissant.
- LASER $=$ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Exemple
Laser He-Ne : milieu $=$ mélange hélium-néon gazeux. Pompage $=$ décharge électrique (excite He, qui transfère à Ne). Cavité $=$ tube avec $2$ miroirs. $\lambda = 632{,}8\ \mathrm{nm}$, puissance typique $1$ à $5\ \mathrm{mW}$.
Piège à éviter
Le miroir de sortie n'est **pas** totalement transparent : il est semi-réfléchissant ($\approx 99\,\%$ réfléchi, $\approx 1\,\%$ transmis). Si trop de lumière sort, l'amplification dans la cavité ne peut pas se maintenir.
Les quatre propriétés remarquables du laser (monochromaticité, directivité, cohérence, intensité) découlent toutes de l'émission stimulée : les photons sont des « clones » parfaits.
- **Monochromaticité** : une seule longueur d'onde (une seule couleur), spectre très étroit.
- **Directivité** : le faisceau est très peu divergent (quelques milliradians).
- **Cohérence** spatiale et temporelle : tous les photons sont en phase entre eux.
- **Intensité** : l'énergie est concentrée dans un faisceau étroit $\rightarrow$ forte puissance par unité de surface.
- Comparaison avec une lampe ordinaire : lumière blanche (polychromatique), divergente, incohérente.
Exemple
Un laser de $5\ \mathrm{mW}$ étalé sur $1\ \mathrm{mm}^2$ donne une intensité $I = \dfrac{5\times 10^{-3}}{10^{-6}} = 5\times 10^{3}\ \mathrm{W/m^2}$ (déjà supérieure au Soleil de midi, $\approx 10^{3}\ \mathrm{W/m^2}$). Focalisé sur $10\ \mu\mathrm{m}^2$ ($10^{-11}\ \mathrm{m}^2$), il atteint $5\times 10^{8}\ \mathrm{W/m^2}$, suffisant pour graver du métal.
Piège à éviter
**Monochromatique** ne veut pas dire « spectre infiniment étroit ». Le laser a une largeur spectrale très faible ($\Delta\lambda \sim 0{,}001\ \mathrm{nm}$ pour un He-Ne) mais pas nulle. C'est bien plus pur que n'importe quel filtre coloré.
Le laser est partout : des fibres optiques qui transportent Internet aux lecteurs Blu-ray, de la chirurgie oculaire au LIDAR des voitures autonomes. Chaque application exploite une propriété différente.
- **Télécommunications** : transmission de données par fibres optiques (diode laser infrarouge).
- **Médecine** : chirurgie ophtalmique (LASIK), découpe de tissus, traitement de la rétine.
- **Industrie** : découpe et soudure de métaux, gravure, impression 3D.
- **Lecture optique** : CD, DVD, Blu-ray (laser rouge puis bleu pour augmenter la capacité).
- **Métrologie** : mesure de distances (LIDAR, télémétrie laser), interférométrie.
- **Recherche** : refroidissement d'atomes, fusion nucléaire par confinement inertiel.
Exemple
CD : laser IR $\lambda = 780\ \mathrm{nm}$, piste $\approx 1{,}6\ \mu\mathrm{m}$ $\rightarrow 700\ \mathrm{Mo}$. DVD : laser rouge $\lambda = 650\ \mathrm{nm}$, piste plus fine $\rightarrow 4{,}7\ \mathrm{Go}$. Blu-ray : laser bleu-violet $\lambda = 405\ \mathrm{nm}$ $\rightarrow 25\ \mathrm{Go}$. Plus $\lambda$ est petit, plus on lit de données.
Piège à éviter
**Attention aux yeux !** Un laser de classe 3 ou plus peut causer des lésions rétiniennes irréversibles en une fraction de seconde. Ne **jamais** regarder directement dans un faisceau laser.
Quiz - Le laser
10 questions
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Notions clés — Physique-Chimie (Spé)
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Le laser, extraits du quiz de révision.
L'émission stimulée produit un photon qui est :
Réponse :
Identique au photon incident (même $\nu$, direction, phase)
Le photon émis par émission stimulée est une copie exacte du photon incident : même fréquence, même direction, même phase. C'est ce qui donne au laser sa cohérence.
LASER signifie :
Réponse :
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement).
L'inversion de population signifie :
Réponse :
Plus d'atomes excités (niveau haut) qu'au niveau bas
L'inversion de population est la condition pour que l'émission stimulée l'emporte sur l'absorption : il faut plus d'atomes excités que d'atomes au repos.
Le faisceau laser est monochromatique, ce qui signifie :
Réponse :
Il a une seule longueur d'onde
Monochromatique = une seule longueur d'onde (une seule couleur). Le spectre d'un laser est extrêmement étroit comparé à une source ordinaire.