Download Optique quantique 1 : Lasers

Chapitre 3
Les lasers
Nous exposons dans ce chapitre une vue d’ensemble de la physique des lasers, permettant de comprendre leurs principales caractéristiques et nous donnons un bref aperçu
sur les propriétés de la lumière émise par ces sources. Notre but n’est pas de fournir un
catalogue exhaustif des lasers existant aujourd’hui. Nous nous servirons plutôt d’exemples
concrets choisis parmi les lasers les plus courants actuellement pour présenter les principes
généraux à la base du fonctionnement des lasers, et montrer comment ils ont été mis en
pratique. Notre expérience est que ces principes nous ont toujours permis de comprendre
le fonctionnement des nouveaux lasers que nous avons vu apparaître au fil des années.
Les idées physiques permettant de comprendre le fonctionnement des lasers apparaîtront souvent extrêmement simples. Cette impression tient au fait que les concepts
essentiels sont désormais bien dégagés et que les détails accessoires et les errements des
raisonnements incorrects ou incomplets, sont passés sous silence1 . Il est cependant intéressant de constater combien l’émergence de ces idées a été laborieuse. On considère
généralement que la préhistoire du laser commence en 1917 lorsque Albert Einstein introduit la notion d’émission induite (encore appelée émission stimulée). En effet,
en étudiant l’équilibre thermodynamique entre le rayonnement électromagnétique et des
atomes à la température T , Einstein montre que l’on ne peut retrouver la formule de
Planck pour le rayonnement du corps noir qu’à la condition d’introduire, en plus de
l’absorption et de l’émission spontanée 2, un nouveau processus l’émission induite. Après
les articles d’Einstein sur ce sujet, de nombreux physiciens s’intéressèrent à ce problème
tant du point de vue théorique que du point de vue expérimental. Cet intérêt fut concrétisé par la mise en évidence expérimentale de l’émission induite dans une décharge de
1
Pour en savoir plus sur la chronologie des idées, on pourra consulter M. Bertolotti, Masers and Lasers,
An Historical Approach, (Hilger, 1983), C.H. Townes dans les Centennial Papers, I.E.E.E. Journal of
Quantum Electronics, 20, pp. 545–615 (1984) ou J. Hecht, Laser Pioneers, (Academic Press, 1992). On
lira aussi avec profit les conférences Nobel (1964) de C.H. Townes, N.G. Basov et A.M. Prokhorov, in
« Nobel Lectures, Physics 1963-1970 » (Elsevier) ; disponibles sur www.nobel.se/physics.
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Ces processus s’imposaient empiriquement sans toutefois s’inscrire dans un cadre théorique global
bien défini.
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