1. Principe de génération laser
La structure atomique est comparable à un petit système solaire, avec le noyau atomique en son centre. Les électrons gravitent constamment autour du noyau, et ce dernier est lui aussi en rotation constante.
Le noyau est composé de protons et de neutrons. Les protons sont chargés positivement, tandis que les neutrons sont neutres. Le nombre de charges positives portées par le noyau est égal au nombre de charges négatives portées par les électrons ; ainsi, les atomes sont généralement neutres vis-à-vis du monde extérieur.
En ce qui concerne la masse d'un atome, le noyau concentre la majeure partie de cette masse, tandis que la masse occupée par l'ensemble des électrons est infime. Dans la structure atomique, le noyau n'occupe qu'un petit volume. Les électrons gravitent autour du noyau et disposent d'un espace beaucoup plus vaste pour leurs activités.
Les atomes possèdent une « énergie interne », qui se compose de deux éléments : d’une part, l’énergie cinétique et la vitesse orbitale des électrons ; d’autre part, l’énergie potentielle liée à la distance entre les électrons (chargés négativement) et le noyau (chargé positivement). La somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle de tous les électrons constitue l’énergie totale de l’atome, appelée énergie interne de l’atome.
Tous les électrons gravitent autour du noyau. Plus ils sont proches du noyau, plus leur énergie est faible ; plus ils en sont éloignés, plus leur énergie est élevée. Selon la probabilité d'occurrence, on divise la couche électronique en différents « niveaux d'énergie ». Sur un même niveau d'énergie, plusieurs électrons peuvent orbiter simultanément, chacun ayant une orbite non fixe, mais possédant tous le même niveau d'énergie. Les niveaux d'énergie sont distincts les uns des autres. Ce concept divise non seulement les électrons en niveaux d'énergie, mais aussi l'espace orbital des électrons en plusieurs niveaux. En résumé, un atome peut posséder plusieurs niveaux d'énergie, chacun correspondant à une énergie différente : certains électrons orbitent à un « niveau d'énergie bas », d'autres à un « niveau d'énergie élevé ».
De nos jours, les manuels de physique du collège indiquent clairement les caractéristiques structurelles de certains atomes, les règles de distribution des électrons dans chaque couche électronique et le nombre d'électrons à différents niveaux d'énergie.
Dans un système atomique, les électrons se déplacent par couches, certains atomes se trouvant à des niveaux d'énergie élevés et d'autres à des niveaux d'énergie faibles. Les atomes étant constamment influencés par leur environnement (température, électricité, magnétisme), les électrons de haut niveau d'énergie sont instables et subissent une transition spontanée vers un niveau d'énergie inférieur. Cette transition peut être absorbée, ou bien induire des phénomènes d'excitation spécifiques et provoquer une « émission spontanée ». Ainsi, dans un système atomique, la transition des électrons de haut niveau d'énergie vers des niveaux d'énergie inférieurs donne lieu à deux phénomènes : l'« émission spontanée » et l'« émission stimulée ».
Le rayonnement spontané est dû à l'instabilité des électrons de haut niveau d'énergie. Sous l'influence de l'environnement extérieur (température, électricité, magnétisme), ces électrons migrent spontanément vers des niveaux d'énergie plus bas, et l'énergie excédentaire est rayonnée sous forme de photons. La particularité de ce rayonnement est que la transition de chaque électron est indépendante et aléatoire. Les états photoniques de l'émission spontanée varient d'un électron à l'autre. La lumière émise spontanément est alors incohérente et présente une dispersion directionnelle. Ce rayonnement possède les caractéristiques propres aux atomes, et le spectre d'émission spontanée diffère selon l'atome. Ceci nous rappelle un principe fondamental de la physique : « Tout objet rayonne de la chaleur et absorbe et émet continuellement des ondes électromagnétiques. Ces ondes présentent une distribution spectrale spécifique, liée aux propriétés de l'objet et à sa température. » Ainsi, le rayonnement thermique est dû à l'émission spontanée des atomes.
Lors d'une émission stimulée, des électrons de haut niveau d'énergie passent à un niveau d'énergie inférieur sous l'effet de la stimulation ou de l'induction de photons adaptés aux conditions, et émettent un photon de même fréquence que le photon incident. La principale caractéristique de l'émission stimulée est que les photons générés sont dans le même état que les photons incidents. Ils sont dans un état cohérent : même fréquence et même direction. Il est donc impossible de distinguer les deux. Ainsi, un photon se divise en deux photons identiques par une seule émission stimulée. La lumière est ainsi intensifiée, ou amplifiée.
Analysons maintenant à nouveau les conditions nécessaires pour obtenir une irradiation stimulée de plus en plus fréquente.
Dans des conditions normales, le nombre d'électrons sur les niveaux d'énergie élevés est toujours inférieur à celui des électrons sur les niveaux d'énergie bas. Pour que les atomes produisent un rayonnement stimulé, il faut augmenter le nombre d'électrons sur les niveaux d'énergie élevés. Pour cela, une source d'excitation est nécessaire afin de stimuler la transition d'un trop grand nombre d'électrons des niveaux d'énergie bas vers les niveaux d'énergie élevés. Cette transition entraîne une inversion du nombre de particules, c'est-à-dire un nombre d'électrons sur les niveaux d'énergie élevés supérieur à celui des électrons des niveaux d'énergie bas. Cependant, ces électrons ne peuvent rester que très brièvement sur les niveaux d'énergie élevés et finissent par retourner à un niveau d'énergie inférieur, augmentant ainsi la probabilité d'émission stimulée de rayonnement.
Bien sûr, la source d'excitation est réglée pour différents atomes. Elle fait « résonner » les électrons et permet à davantage d'électrons de basse énergie de passer à des niveaux d'énergie supérieurs. Les lecteurs peuvent ainsi comprendre ce qu'est un laser et comment il est produit. Un laser est un rayonnement lumineux excité par les atomes d'un objet sous l'action d'une source d'excitation spécifique.
Date de publication : 27 mai 2024
