Lasers - production et applications

Abstract

A laser is a device that emits light by an optical amplification process based on the stimulated emission of electromagnetic radiation. The term "laser" is originally an acronym for "light amplification by stimulated emission of radiation". The first laser was built in 1960 by Theodore H. Maiman at Hughes Research Laboratories, based on the theoretical work of Charles Hard Townes and Arthur Leonard Schawlow.

A laser differs from other light sources in that it emits light coherently. Lasers can also have high temporal coherence, which allows them to emit light with a very narrow spectrum, i.e., they can emit a single color of light.

There are many types of lasers, the most important of which are semiconductor lasers, such as GaAs lasers, and gas lasers, such as Ar⁺ ionized argon lasers, but there are also others, such as chemical lasers, fiber lasers and free electron lasers.

The laser has many applications, as in the field of scientific research, we found the nuclear fusion by laser, the cooling of atoms, the detection of gravitational waves etc. And also in other areas such as the industrial field, medical, in telecommunications and others.

V

Table des matières

Introduction Générale 1 Généralités sur les lasers			1 3
	1.1	Introduction	3
	1.2	Qu'est-ce qu'un laser?	3
	1.3	Le laser et l'ampoule	3
	1.4	Gammes spectrales et liste de quelques lasers	4
	1.5	Les propriétés du laser	4
	1.6	Conclusion	6
2	La base théorique du laser		7
	2.1	Introduction	7
	2.2	Processus de fonctionnement du laser	7
		2.2.1 La lumière et les atomes dans une cavité	7
		2.2.2 Émission spontanée	9
		2.2.3 Absorption	9
		2.2.4 Emission stimulée	10
	2.3	Les relations d'Einstein	10
	2.4	Conditions d'Amplification - Inversion de populations	13
		2.4.1 Les conditions d'amplification	13
		2.4.2 Les modes de transfert pour les transitions atomiques	13
		2.4.2.1 Pompage optique	14
		2.4.2.2 Pompage électronique	14
		2.4.2.3 Pompage chimique	15
		2.4.2.4 Pompage par injection de porteurs	15
	2.5	Cavité résonante	15
	2.6	Conclusion	16
3	Types et principe de fonctionnement		17
	3.1	Introduction	17
	3.2	Lasers à semi-conducteur	17
		3.2.1 Histoire	17
		3.2.2 Principe de fonctionnement	17
		3.2.3 La longueur d'onde du rayonnement	18
		3.2.4 Principaux avantages	19
		3.2.5 Exemple : Laser (Al)GaAs	19
	3.3	Lasers à gaz	20
		3.3.1 Principe de fonctionnement	20
		3.3.2 Exemple: Laser à argon ionisé (Ar^+)	20
	3.4	Autres types	21
		3.4.1 Lasers chimiques	21

VI

3.4.2 Lasers à fibre 22

3.4.3 Lasers à électrons libre 22

3.5 Conclusion 22

4 Quelques applications du laser 23

4.1 Introduction 23

4.2 Applications dans le domaine de la recherche scientifique 23

4.2.1 La télémétrie 23

4.2.2 La spectroscopie 24

4.2.3 La détection des ondes gravitationnelles 24

4.2.4 Vélocimétrie Doppler 25

4.2.5 La fusion nucléaire 25

4.2.6 Le refroidissement des atomes 26

4.3 Applications dans les autres domaines 27

4.3.1 Dans la vie quotidienne 27

4.3.2 Domaine industriel 28

4.3.3 Domaine médicale 28

4.3.4 Télécommunication 29

4.3.5 Les armes laser 29

4.4 Conclusion 29

Conclusion Générale 30

Bibliographie 31

VII

Table des figures

1	Theodore Maiman avec le premier laser.	2
1.1	Laser à onde continue (cw), laser femtoseconde (fs) et ampoule électrique . . . .	3
1.2	Gammes spectrales des lasers	5
2.1	Une cavité et une distribution Planckienne du rayonnement	8
2.2	Émission spontanée	9
2.3	Transitions stimulées. (a) Absorption et (b) émission stimulée	10
2.4	Modèle d'Einstein. Les flèches ondulées désignent des photons. L'atome en grisé,
	après la transition, vient augmenter la population d'atomes « blancs ».	11
2.5	Durée de vie naturelle	12
2.6	Exemple d'un système à trois niveaux avec un pompage optique	14
2.7	Exemple de HeNe avec un pompage électronique. 14
2.8	Cavité résonante du laser. 15
3.1	Représentation schématique des bandes d'énergie dans un semi-conducteur. . . .	18
3.2	Transitions radiatives de bande à bande dans les semi-conducteurs. 18
3.3	Choix du laser à semi-conducteur en fonction de la longueur d'onde	19
3.4	Illustration schématique de l'interaction matière-rayonnement. La fréquence du rayonnement émis ou absorbé dépend du type de la résonance mise en jeu : (a)
	atomique, (b) vibrationnelle, (c) rotationnelle. 20
3.5	Niveaux d'énergie du laser dans l'argon ionisé	21
3.6	Structure de base d'un laser à électrons libres. 22
4.1	Le laser utilisée pour mesurer la distance terre-lune	23
4.2	L'interféromètre VIRGO, Santo Stefano a Macerata, Pisa, Italie	24
4.3	Schéma des étapes de la fusion laser. 26
4.4	Les trois étapes du ralentissement d'un atome par un photon. En (a), un atome absorbe un photon se propageant en sens inverse; en (b), l'atome excité est
	ralenti; en (c), le photon est réémis dans une direction aléatoire	27

VIII

Liste des tableaux

1.1 Longueurs d'onde, fréquences et des quantum d'énergies des lasers 4

2.1 Les coefficients d'Einstein 13

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