La formation du laser

Les éléments du mécanisme physique de la formation du laser : de la transition quantique à la synchronisation des photons
L'apparition des lasers a marqué la première fois que l'homme a réussi à manipuler les photons. Son principe intègre plusieurs domaines tels que la mécanique quantique et l'ingénierie de précision.
I. Transition quantique
La génération des lasers a commencé avec des transitions quantiques entre les niveaux d'énergie atomique. Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie et passe à un état d'énergie plus élevé, le système est dans un état instable. À ce moment-là, l'électron libère de l'énergie de deux manières :
Émission spontanée : Les électrons retombent aléatoirement vers un état d'énergie inférieur et émettent des photons avec des directions et des phases différentes.
Émission stimulée : Lorsque l'énergie d'un photon externe correspond à la différence de niveau d'énergie, elle induit la libération simultanée de photons exactement identiques par des électrons dans un état excité, ce qui constitue la base de l'amplification optique.
Ii. Facteurs clés pour la naissance des lasers
Inversion du nombre de particules
Le système de pompage rompt l'état d'équilibre thermique, permettant à la substance active de former des niveaux d'énergie métastables. Par exemple, dans un laser à hélium-néon, les atomes d'hélium transfèrent leur énergie aux atomes de néon, provoquant une inversion du nombre de particules chez les atomes de néon.
Rétroaction de cavité résonnante
Une cavité résonnante optique composée de deux miroirs permet aux photons dans une direction spécifique de voyager plusieurs fois en avant et en arrière. Lorsque le gain dépasse la perte, une boucle de rétroaction positive sera formée, et finalement un faisceau cohérent sera émis.
Sélection de mode
La distribution des modes longitudinaux et transversaux est contrôlée par une conception de cavité courte ou un retour par réseau pour obtenir une sortie monofréquence et à unique mode.
Iii. Statistiques de Bose
Photons identiques : Les photons produits par la radiation stimulée ont exactement la même fréquence, phase et état de polarisation.
Superposition de fonctions d'onde : Un grand nombre de photons identiques forment des états quantiques macroscopiques, conférant à la lumière une cohérence parfaite.
Cette caractéristique donne aux lasers des propriétés que les sources lumineuses ordinaires ne peuvent pas égaler :
Directionnalité : L'angle de divergence d'une source lumineuse ordinaire est relativement grand, tandis que celui d'une source lumineuse laser est relativement petit et sa direction est fixe.
Monochromatisme : La largeur de raie spectrale d'un laser est plus étroite que celle d'une source lumineuse ordinaire, ce qui lui confère un meilleur monochromatisme.
Luminosité élevée : Le laser émet des faisceaux hautement parallèles et peut être émis avec une concentration plus élevée.