principe du LASER

[ilelogique]

Bonjour,
Pouvez-vous m'expliquer quelss sont les principes du Laser s'il vous plait ?
Cela a-t-il un rapport avec la mécanique quantique ou la relativité générale ?
Peut-on tordre un rayon laser ?
Quel est le principe de "l'amplification" du rayon lumineux ?
Sont-ils toujours monochromatiques ?
etc.
merci

[mariposa]

Bonjour,
Pouvez-vous m'expliquer quelss sont les principes du Laser s'il vous plait ?
Cela a-t-il un rapport avec la mécanique quantique ou la relativité générale ?
Peut-on tordre un rayon laser ?
Quel est le principe de "l'amplification" du rayon lumineux ?
Sont-ils toujours monochromatiques ?
etc.
merci

Bonjour,
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Le principe d'un laser est le même que celui d'un oscilateur électronique a savoir que c'est un amplificateur où la sortie est bouclée sur l'entrée. Il faut donc décrire le milieu amplificateur et le la contre-réaction (positive).
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la compréhension du milieu amplificateur fait appel à la MQ (mais pas à la RG).

Le principe est qu'un grain de lumière, le photon, interagit avec des atomes (ou molécules) pour obtenir 2 photons et ainsi de suite, c'est comme dans une bombe atomique ou un réacteur nucléaire (1 neutron donne 2 neutrons).
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pour effectuer cette amplification il faut un milieu où les atomes ont été ecxités. Il y a differents moyens selon le milieu. Ce peut-être un champ électrique (laser à semiconducteurs par exemple) ou un faisceau optique (pompage optique).
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La contreréaction positive est obtenue avec des miroirs qui renvoient la lumière laser dans le milieu. La MQ n'est ici pas impliquée.

[ilelogique]

Merci, j'ai déjà compris un truc de plus, mais c'est quoi MQ et RG ?

[mariposa]

Merci, j'ai déjà compris un truc de plus, mais c'est quoi MQ et RG ?

MQ = Mécanique quantique.
RG = Relativité générale.

[ilelogique]

Connaissez-vous un lien où les principes du Laser sont bien expliqués svp ?
wikipédia n'est pas très clair je trouve.
merci

[LPFR]

Bonjour.
Un laser c'est effectivement un amplificateur de lumière mais contrairement à ce qui est dit en wikipedia, la condition de réaction positive et les miroirs ne sont pas indispensables dans tous les cas.
L'amplification de la lumière par effet laser est similaire à l'absorption de la lumière qui se fait quand celle si fait passer des électrons d'un solide ou d'un atome d'un niveau d'énergie plus bas à un plus haut.
Imaginez que vous avez deux niveaux d'énergie possibles. En situation d'équilibre thermique, c'est le niveau le plus bas qui sera le plus peuplé (occupe) et seulement une petite fraction d'électrons sera dans le niveau d'haute énergie.
Si vous envoyez de la lumière dont l'énergie des photons (hν) est égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux, des électrons passeront du niveau bas au niveau haut. Ces électrons "excités" finiront par retomber au niveau bas en émettant des photons d'énergie égale toujours à la différence d'énergie entre les deux niveaux. Cette chute est une "émision spontanée": les électrons font la transition au petit bonheur et émettent la lumière dans toutes les directions.
Mais une partie des électrons va se faire "pousser" à descendre de niveau par la même lumière qui les avait fait monter: c'est l'émission "stimulée". À la différence de l'émission spontanée, qui se fait n'importe comment, l'émission stimulée provoque l'émission des photons dans la même direction de la lumière qui stimule et en phase avec celle-ci. C'est à dire, qu'elle renforce la lumière qui a stimulé l'électron à tomber.
Comme, en situation d'équilibre thermique, le nombre d'électrons dans le niveau bas et plus élevée que dans le niveau haut, il y beaucoup plus d'électrons qui montent grâce à la lumière et qui descendent spontanément, que ceux qui descendent par stimulation. Il n'y a pas d'effet laser.
Pour l'avoir il faut réussir à faire monter des électrons du niveau bas au niveau haut autrement que par la lumière qui les fait monter directement. Dans le cas des diodes à semi-conducteur c'est facile, car il suffit de les faire conduire pour injecter d'électrons dans la bande de conduction (le niveau haut).
Dans d'autres systèmes c'est, en général, beaucoup plus compliqué, car il faut trouver un système dans lequel on fait monter des électrons à un niveau existant encore plus haut que le nécessaire, et dans lequel les électrons tombent de préférence dans le "bon" niveau. De plus il faut que ce niveau haut soit "métastable", c'est à dire, que les électrons ne tombent pas tout de suite par émission spontanée. Ce n'est pas facile de trouver des systèmes avec des niveaux qui satisfassent toutes les conditions.
Mais une fois qu'on l'a trouve, "il suffit" de pomper le système (faire monter des électrons) pour réussir une "inversion de population" (plus d'électrons dans le niveau haut que dans le bas). Si on éclaire avec la bonne lumière, on stimule l'émission et la lumière se renforce. On a amplification de lumière. Mais comme il y a amplification, on n'a même pas besoin d'éclairer: quelques électrons qui émettent spontanément suffisent pour amorcer le laser.

Dans beaucoup de systèmes, le gain est très faible: la lumière, après un seul passage n'est que très légèrement amplifiée. Alors on met des miroirs pour lui faire faire des allers-retours. Ces miroirs ne sont pas des miroirs de salle de bains. Se sont des miroirs qui réfléchissent la lumière à presque 100% (un miroir de salle de bains ne fait que du 94%).

Dans le cas des lasers à semi-conducteur, le gain est plus important et la qualité de miroirs moins critique.
Dans d'autres cas plus rares, le gain est suffisamment important pour ne pas avoir besoin de miroirs.

Au revoir.

[Big Benne]

Peut-on tordre un rayon laser ?

On peut le "tordre", au même titre que les lentilles gravitationnelles dévient les rayons émis par une étoile lointaine. Un faisceau laser n'est rien de plus qu'un ensemble de photons, et les photons peuvent être déviés, réfléchis...

Sont-ils toujours monochromatiques ?

Attention, aucun photon n'est parfaitement monochromatique, car être monochromatique signifie que l'onde est décrite par une sinusoide, de longueur infinie par définition. Or dans la nature, il n'y a pas d'onde de longueur infinie (sauf à la rigueur si elle est entretenue...).

Mais dans les lasers standard (durée d'impulsion pas trop courte), on peut considérer que la lumière est monochromatique, car les photons ont un nombre d'alternances assez important, qui les fait se rapprocher d'une sinusoide.

En revanche, pour les lasers à impulsion ultracourte (lasers femtoseconde par exemple), cette impulsion ne peut pas être modélisée par une sinusoide, car la longueur de l'impulsion fait parfois moins d'une alternance. Pour arriver à modéliser cette impulsion, on fait la somme d'un très grand nombre de sinusoides de longueurs d'onde différentes (cf les séries de Fourier). Cette somme de sinusoides s'annule quasiment partout, sauf à l'endroit de l'impulsion où là les amplitudes s'accumulent.
Donc on peut dire qu'un laser femto est très largement polychromatique, mais c'est un cas particulier.

[LPFR]

Re.

Mais dans les lasers standard (durée d'impulsion pas trop courte), on peut considérer que la lumière est monochromatique, car les photons ont un nombre d'alternances assez important, qui les fait se rapprocher d'une sinusoide.

Petite précision à propos des lasers "standard", car la notion de standard varie suivant qu l'on soit plus ou moins riche.

Les pointeurs lasers ne sont pas très monochromatiques car ils ont une largeur de bande relativement "large" par rapport aux lasers de "riche". Plusieurs longueurs d'onde peuvent résonner dans la cavité optique. C'est aussi le cas des lasers passe par tout comme ceux utilisés pour des effets de lumière et dans les caisses des supermarchés.
Les lasers des "riches" sont des lasers "monomode". De toutes les longueurs d'onde compatibles avec la cavité optique, on sélectionne une seule en ajoutant une cavité plus courte.

Mais pour les puristes le mot "monochromatique" veut dire une raie infiniment étroite de largeur nulle. Donc, pour eux, pauvres malheureux, rien n'est vraiment monochromatique. Mais pour le physicien du peuple, qui se satisfait des raies étroites de longueur finie. Tout ce beau monde est plus ou moins monochromatique.
A+

[Gwyddon]

Bonjour,

Attention, aucun photon n'est parfaitement monochromatique, car être monochromatique signifie que l'onde est décrite par une sinusoide, de longueur infinie par définition. Or dans la nature, il n'y a pas d'onde de longueur infinie (sauf à la rigueur si elle est entretenue...).

Juste une question, car là je suis perplexe. Pour moi une sinusoïde ce n'est pas une longueur d'onde infinie, c'est même plutôt une longueur d'onde parfaitement définie (et donc une sinusoïde est parfaitement monochromatique).

L'absence rigoureuse de monochromaticité d'une onde lumineuse dans la nature pourrait plus s'expliquer par - si l'on souhaite une description à base de photon - les fluctuations quantiques d'énergie (et donc de fréquence).

[LPFR]

Re.

Juste une question, car là je suis perplexe. Pour moi une sinusoïde ce n'est pas une longueur d'onde infinie, c'est même plutôt une longueur d'onde parfaitement définie (et donc une sinusoïde est parfaitement monochromatique).

Big Benne parlait de la longueur de la sinusoïde et non de la longueur d'onde.
Une vraie sinusoïde a commencé bien avant le Big Bang et continuera bien au delà de la fin de l'Univers. Toutes les autres choses ne sont que des morceaux de sinusoïde.
A+

[Gwyddon]

Bonsoir,

Re.

Big Benne parlait de la longueur de la sinusoïde et non de la longueur d'onde.

D'accord effectivement il ne dit pas "longueur d'onde". Mais c'est quoi la longueur d'une onde ? (ceci est une vraie question, je ne le sais pas !)

[LPFR]

Re.

Mais c'est quoi la longueur d'une onde ? (ceci est une vraie question, je ne le sais pas !)

Je ne sais pas ce qu'est la longueur d'une onde, mais la longueur d'onde est la distance entre deux crêtes d'une onde sinusoïdale.
A+

[Gwyddon]

Re.

Je ne sais pas ce qu'est la longueur d'une onde, mais la longueur d'onde est la distance entre deux crêtes d'une onde sinusoïdale.
A+

Alors je ne comprend pas

Big Benne parlait de la longueur de la sinusoïde et non de la longueur d'onde.

C'est quoi la longueur de la sinusoïde ?

[mariposa]

Alors je ne comprend pas

C'est quoi la longueur de la sinusoïde ?

.
Raisonablement, c'est la longueur de cohérence (ou d"une manière équivalente le temps de cohérence) qui détermine la largeur de raie (par transformée de Fourier temporelle) pour un laser monode.

[Gwyddon]

Ok, dans ce cas dire "longueur infinie" pour la sinusoïde, c'est dire surtout qu'on s'intéresse à une onde monochromatique plane. Sinon, je ne vois pas trop ce qu'on peut en dire.

Merci !