La formation du laser

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L'apparition des lasers a marqué la première fois que l'humanité a réussi à contrôler les photons. Les lasers sont des sources lumineuses spéciales qui amplifient la lumière par rayonnement stimulé, et leur processus de formation implique plusieurs mécanismes physiques tels que la mécanique quantique, la résonance optique et l'excitation énergétique. Voici les principaux facteurs contribuant à la formation des lasers :
I. Émission stimulée et inversion du nombre de particules
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.
Amplification optique : Les particules à des niveaux d'énergie élevés subissent une émission stimulée déclenchée par des photons incidents, générant des photons de la même phase et fréquence. Ces photons oscillent à répétition dans la cavité résonnante, déclenchant une réaction en chaîne et formant une lumière cohérente de haute intensité.
Inversion du nombre de particules : Le système de pompage rompt l'état d'équilibre thermique, permettant au matériau actif de former des niveaux d'énergie métastables.
II. Cavité résonnante optique
Rétroaction de la 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, un boucle de rétroaction positive sera formée, et finalement un faisceau cohérent sera émis.
Sélection de mode : Par le biais d'une conception de cavité courte ou d'une rétroaction par réseau, la distribution des modes longitudinaux et transverses est contrôlée pour obtenir une sortie monofréquence et monomode.
Concentration d'énergie : Réduire la longueur effective de la substance active et améliorer l'efficacité de sortie du laser.
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.
Caractéristiques du laser :
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.
Haute luminosité : Le laser émet des faisceaux hautement parallèles et peut être émis avec une plus grande concentration.
La formation des lasers est une combinaison parfaite entre la mécanique quantique et l'ingénierie optique. Son cœur réside dans l'obtention d'un amplification contrôlable de la lumière grâce à l'inversion de population et à la radiation stimulée. Le développement des lasers favorise les innovations dans des secteurs tels que la fabrication, la santé et les technologies de l'information.