De la théorie à la pratique
Comme nous l’avons expliqué dans les deux premières parties de cette petite série de blogs sur les faisceaux laser, les faisceaux laser ne sont rien d’autre que des photons qui sautent à partir d’atomes excités. Mais pourquoi se transforment-ils en un faisceau si puissant qu’il peut même percer des plaques d’acier ? Cela est dû en grande partie à un phénomène qu’Einstein avait déjà théorisé vers 1905, mais qui n’a pu être prouvé expérimentalement que 45 ans plus tard. Il n’a ensuite fallu que 10 ans pour que Theodore Maimann présente le premier laser fonctionnel à l’institut de recherche Hughes de Malibu. Les photons émis par des atomes excités se comportent de manière cohérente.
Le phénomène de cohérence consiste en ce que les photons émis se comportent comme des copies identiques des photons absorbés en premier. Ils ont donc la même quantité d’énergie et la même longueur d’onde. De plus, ils se déplacent dans la même direction, ont le même type d’oscillation et la même phase dans l’angle. Il est donc possible de provoquer une réaction en chaîne si l’on parvient à maintenir une quantité d’atomes excités prêts à être stimulés par l’absorption d’un photon pour émettre de nombreux photons identiques.
Pour cela, il faut toutefois respecter quelques règles essentielles, comme par exemple le fait que le système se trouve justement déjà dans un état excité. Sinon, l’absorption pure aurait lieu et aucun rayon laser ne serait produit. La majorité des atomes doit donc se trouver dans un état riche en énergie, ce que l’on appelle le niveau laser supérieur. Il y a donc ce que l’on appelle une « inversion de population ». Pour simplifier, l’astuce consiste maintenant à faire passer les photons émis de manière stimulée à travers le système par des miroirs.
De plus en plus d’atomes émettent ainsi des photons identiques et forment finalement le faisceau laser. Pour que cela fonctionne, l’un des miroirs ne doit cependant pas réfléchir parfaitement, mais permettre en quelque sorte un passage pour les photons. On obtient alors un faisceau exploitable en dehors du système. Le type de milieu ou de système utilisé décide alors de la fréquence de ce faisceau et détermine ainsi sa couleur.
Si toutes les règles sont respectées, l’apport d’une certaine quantité d’énergie suffit donc pour que les photons se multiplient par effet de miroir et soient émis sous forme d’énergie dans un faisceau. Ces miroirs sont appelés résonateurs. Leur forme et leur disposition déterminent la propagation et l’intensité du faisceau laser. Lorsque Theodore Maimann a réussi à mettre ces théories en pratique, il a trouvé, après de nombreux essais, un rubis rouge synthétique comme support approprié.
Aujourd’hui, de très nombreux milieux ont été ajoutés pour les rayons laser. Chacun de ces milieux détermine la fréquence, la couleur et d’autres propriétés du faisceau laser. Aujourd’hui, on utilise des cristaux, des gaz ou des liquides. Tous donnent des résultats différents. Vous découvrirez quels sont les résultats dans le prochain article.