LUMIERE LASER

 La lumière émise par un laser est très particulière et très différente de celle qui nous entoure tous les jours. Elle est dite «cohérente» car, comme une onde radio classique, c’est un rayonnement électromagnétique parfaitement défini en fréquence et en phase. La moindre lentille se comporte avec ce rayonnement comme un réfracteur diélectrique d’un diamètre égal à des dizaines de milliers de fois la longueur d’onde. Cette propriété est remarquable car contrairement à ce que permettrait le rayonnement « incohérent » de simples diodes LED, une lentille associée à la lumière laser apporte par focalisation un gain théorique gigantesque (des dizaines de kW E.I.R.P. sont possibles en émission!). Toute l’énergie émise par la diode peut être concentrée dans un faisceau d’une divergence de moins de 5 milliradiants. Pour s’en convaincre on peut calculer facilement qu’une loupe de 20 mm contient dans son diamètre, dans le proche infrarouge (ex : lambda = 1 micron), 20000 fois la longueur d’onde. Elle peut donc apporter un gain du même ordre de grandeur que celui apporté par une parabole de 600 m de diamètre sur 10 GHz !

LASER: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations”

Le photon est la plus petite quantité d’énergie indivisible associée à un rayonnement pour une longueur d’onde donnée. Cette notion quantique est utilisée surtout avec la lumière car elle permet de définir directement l’interaction entre les rayonnements et les atomes des matériaux à très petite échelle. On pourrait aussi associer des photons ou quanta de faible énergie à des ondes radio SHF ou UHF par exemple. Cette notion n’aurait alors que peu d’intérêt car on étudie le plus souvent l’action des ondes radio sur des conducteurs de grandes dimensions (antennes, lignes, cavités, etc…) via leurs interactions électromagnétiques. Les lasers diffèrent par la nature du milieu utilisé pour obtenir une luminescence par excitation : gaz sous faible pression, semi-conducteurs, cristaux dopés par des métaux rares etc. L'émission stimulée est créée dans une cavité optique constituée d’un volume transparent fermé par 2 parois opposées parallèles et réfléchissantes. La distance entre ces parois est choisie pour créer un mode de résonance avec la longueur d’onde des photons émis. On excite les atomes de ce milieu par une perturbation extérieure qui va augmenter leur énergie. (Un éclair lumineux, le passage d’un courant, etc..) On appelle cette excitation « pompage ». Quand ces atomes se désexcitent par émission spontanée de photons, leurs influences mutuelles "stimulent" l'émission globale dans une réaction synchrone amplifiée (explication didactique très simpliste…). Le rayonnement laser traverse alors le miroir le moins réfléchissant vers l’extérieur.

Un apport d'énergie pousse les électrons vers les couches hautes des atomes. Leur retour à un niveau d'énergie plus bas est accompagné d'une émission cohérente si le milieu peut multiplier (amplification) et synchroniser (fréquence) les photons grâce à son niveau d'excitation préalable et grâce à la présence du résonateur optique.

MODULATION DES LASERS.

Lorsque la source d’énergie excite en continu les particules du milieu laser, la lumière laser est produite en continu mais le rayon possède une puissance proportionnelle à l’énergie d’excitation entre certaines limites. Il peut donc être modulé en fonction de l’intensité du pompage. Quand la source d’énergie envoie par intermittence une décharge dans l’oscillateur, la lumière laser est produite par impulsions brèves (on parle de lasers pulsés). Il faut distinguer la puissance moyenne de sortie et la puissance de crête qui peut être très élevée. Une diode laser possède un temps de réponse très rapide. La fréquence de modulation peut largement dépasser le gigahertz sur certains modèles de diode laser.