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).
Approfondissement : ce chapitre ne fait pas partie du programme de Terminale spécialité (2019) ; il complète le chapitre sur le photon pour la culture scientifique. 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 stimulée : 1 photon incident provoque l'émission d'un 2e photon identique (même $\nu$, direction, phase).
- 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.
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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.