Présentation
Auteur(s)
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Gilles BRASSART : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Président-directeur général de BM Industries
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Jean-Louis MEYZONNETTE : Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Professeur à l’École supérieure d’optique
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Jean-Paul POCHOLLE : Chef du Laboratoire Sources laser pour optronique au Laboratoire central de recherche (LCR) Thomson-CSF
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’avènement des lasers a renouvelé considérablement le domaine de l’optronique, et étendu ses possibilités, en rendant concevables des équipements et des systèmes dits « actifs », qui étaient irréalisables à partir de sources optiques plus traditionnelles, telles que les sources thermiques. Pour de nombreuses applications, les lasers sont en effet les seules sources envisageables, car leur émission peut surpasser de loin celle de leurs concurrentes thermiques par ses caractéristiques spatiale, spectrale, temporelle ou énergétique.
L’un des avantages décisifs des lasers est la possibilité d’obtention de luminances spectriques élevées, donc d’émission de rayonnements à la fois très directifs (la divergence du faisceau peut être limitée par la diffraction dans le cas de lasers monomodes) et quasimonochromatiques : cela permet d’une part d’optimiser un éclairement de cible ou une concentration d’énergie, même sur de longues distances, et d’autre part de simplifier les optiques associées et de filtrer plus efficacement les rayonnements parasites.
L’émission des lasers se prête de plus à des techniques de modulation, et donc de traitement de signal, difficilement envisageables avec des sources thermiques (modulation d’amplitude ou de fréquence, obtention d’impulsions très brèves, accordabilité en longueur d’onde, etc.).
Après un bref rappel théorique, cet article présente l’état de l’art sur différents types de lasers : diodes laser, lasers à gaz CO2 , lasers solides pompés par diodes laser, et s’achève par des considérations sur la sécurité (en particulier oculaire) dans l’utilisation des lasers.
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- Version courante de sept. 2021 par Hugues GUILLET DE CHATELLUS
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1. Rappels de base
1.1 Historique
C’est en 1917 que A. Einstein (prix Nobel 1921) établit le concept d’émission stimulée en analysant une population fictive d’atomes à 2 niveaux d’énergie En et Em , distants de hν, en équilibre thermique dans une enceinte à la température T . La statistique de Boltzmann définit la répartition des atomes entre les deux niveaux, et la loi de Planck fournit la densité spectrale du rayonnement électromagnétique du corps noir constitué par cette collection d’atomes. Les phénomènes d’absorption et d’émission spontanée des photons d’énergie hν sont pris en compte par Einstein, qui admet qu’à l’équilibre thermodynamique le nombre, par unité de temps, de transitions de n vers m est égal à celui de m vers n. Dans ces hypothèses, Einstein démontre que la loi de Planck entraîne la nécessité du concept d’émission stimulée.
En 1940, Fabricant réalise probablement la première inversion de population dans ses mesures d’absorption de lumière entre deux états excités d’espèces gazeuses, au cours desquelles il parvient à désexciter rapidement le niveau le moins énergétique. Le laser aurait pu naître à l’aube de la Seconde Guerre mondiale si Fabricant (reconnu comme le grand-père du laser) avait pensé à placer le gaz dans une enceinte avec deux miroirs en bout.
Dans les années 1952 /1954 le phénomène d’amplification stimulée est observé simultanément par les deux équipes de Townes, Gordon, Zeiger (États‐Unis) et de Basov et Prokhorov (URSS), qui, pour cela, reçoivent simultanément le prix Nobel en 1964. En 1954, le jet moléculaire en sortie d’un four dans lequel se trouvent des molécules d’ammoniac (NH3) excitées par collision, passe entre deux électrodes qui effectuent le tri des espèces excitées. Ces dernières sont envoyées dans une cavité résonnante et les expérimentateurs observent une émission dans un guide d’onde à 2,3 × 1010 Hz. Le Maser (microwave amplifier by stimulated emission of radiation ) est ainsi inventé.
Cela conduit, en 1958, Townes et Schawlow à élaborer le concept du maser à fréquences optiques, ou laser (light amplification by stimulated emission of radiation ), à partir d’un...
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