Comment fonctionnent les cristaux laser ?

2023-08-16

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Les cristaux laser sont au cœur des systèmes laser, permettant la génération et l'amplification d'une lumière cohérente. Comprendre le fonctionnement des cristaux laser nécessite d’examiner de plus près les principes sous-jacents de l’émission stimulée et du processus d’émission laser.

1. Émission stimulée :

Les cristaux laser sont généralement composés de matériaux solides, tels que le rubis (oxyde d'aluminium dopé au chrome) ou Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme). Ces cristaux contiennent des ions dopants (par exemple chrome ou néodyme) qui ont des niveaux d'énergie dans le réseau cristallin.

Lorsque le cristal laser est excité par une source d'énergie externe, telle qu'une lampe flash ou un autre laser, les ions dopants absorbent de l'énergie et passent à des niveaux d'énergie plus élevés. Ce processus est appelé absorption. Les ions excités se détendent ensuite à des niveaux d’énergie inférieurs par émission spontanée, libérant des photons dans des directions et des phases aléatoires.

Cependant, dans un cristal laser, un phénomène appelé émission stimulée peut se produire. Lorsqu'un photon avec une énergie spécifique (correspondant à la différence d'énergie entre les niveaux d'énergie excités et inférieurs) passe à proximité d'un ion excité, il peut stimuler l'ion pour qu'il libère un deuxième photon identique en énergie, direction, phase et polarisation. Ce processus crée un effet de cascade, car les photons émis peuvent, à leur tour, stimuler d’autres ions excités pour qu’ils émettent davantage de photons, ce qui entraîne une amplification de la lumière.

2. Résonateur optique :

Pour obtenir l’action laser, le cristal laser est placé dans un résonateur optique composé de deux miroirs formant une cavité. Un miroir est partiellement réfléchissant, permettant à une partie de la lumière émise de s'échapper, tandis que l'autre miroir est hautement réfléchissant, réfléchissant la lumière dans le cristal.

Le résonateur optique joue un rôle crucial dans le fonctionnement du laser. Il fournit une rétroaction pour soutenir le processus d’amplification en réfléchissant les photons dans le cristal, ce qui stimule une émission et une amplification supplémentaires. La longueur du résonateur détermine les longueurs d'onde spécifiques de la lumière qui sont amplifiées et émises par le cristal laser.

3. Mécanisme de pompage :

Cristaux laser nécessitent une source d’énergie externe pour exciter les ions dopants et lancer le processus laser. Cette source d'énergie est connue sous le nom de pompe. La pompe peut se présenter sous la forme de lampes flash, de lasers à diode ou d'autres lasers, en fonction du matériau cristallin spécifique et de l'application.

La pompe excite les ions dopants dans le cristal laser, les élevant à des niveaux d’énergie plus élevés. Lorsque les ions reviennent à leurs niveaux d'énergie inférieurs grâce à une émission stimulée, ils émettent des photons qui sont amplifiés dans le cristal grâce au résonateur optique. Ce processus d'amplification se poursuit jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de photons soit présent dans le résonateur pour former un faisceau laser cohérent et intense.

En résumé, les cristaux laser fonctionnent en utilisant les principes de l’émission stimulée et des résonateurs optiques. Les ions dopants à l'intérieur du cristal absorbent l'énergie d'une source de pompe externe, passent à des niveaux d'énergie plus élevés, puis émettent des photons par émission stimulée. Ces photons sont amplifiés dans le cristal grâce au résonateur optique, ce qui entraîne la génération d'un faisceau laser cohérent et focalisé.