Physique des lasers
La physique des lasers étudie comment l'émission stimulée et la rétroaction optique se combinent pour générer une lumière cohérente, directionnelle et monochromatique.
Definition
L'étude des principes selon lesquels un milieu à gain avec inversion de population, placé dans un résonateur optique, amplifie la lumière par émission stimulée pour produire un faisceau cohérent, directionnel et à bande étroite.
Scope
La physique des lasers est le domaine de l'optique qui s'intéresse à la génération de lumière cohérente par émission stimulée. Elle couvre l'interaction quantique de la lumière et de la matière via les coefficients d'Einstein, la création d'une inversion de population et d'un gain optique dans un milieu pompé, le rôle d'un résonateur optique dans la fourniture de rétroaction et la sélection des modes, le seuil et le fonctionnement en régime permanent des oscillateurs laser, les principales classes de lasers et leurs régimes de fonctionnement, y compris la sortie en onde continue et pulsée (à commutation de qualité et à modes bloqués), ainsi que la structure spatiale des faisceaux laser. Elle fournit la base physique des lasers utilisés dans la science, l'industrie et la médecine.
Sub-topics
Core questions
- Comment l'émission stimulée produit-elle un gain optique ?
- Quelles sont les conditions nécessaires pour atteindre et maintenir l'oscillation laser ?
- Comment le résonateur façonne-t-il les propriétés spectrales et spatiales de la sortie ?
- Qu'est-ce qui distingue les principaux types de lasers et leurs méthodes de génération d'impulsions ?
Key concepts
- émission stimulée
- inversion de population
- gain optique
- pompage
- résonateur optique
- seuil laser
- modes longitudinaux et transversaux
- cohérence et monochromaticité
Key theories
- Émission stimulée et coefficients d'Einstein
- Le traitement d'Einstein de l'absorption, de l'émission spontanée et de l'émission stimulée relie leurs taux et montre qu'un milieu excité peut amplifier la lumière de manière cohérente, principe fondamental de tous les lasers.
- Oscillation laser : gain, rétroaction et seuil
- L'effet laser se produit lorsque le gain aller-retour d'un milieu à inversion de population équilibre les pertes du résonateur ; au-dessus de ce seuil, une oscillation cohérente et auto-entretenue se développe dans les modes de la cavité.
- Structure des modes du résonateur
- Le résonateur optique impose des fréquences longitudinales discrètes et des modes spatiaux transversaux au champ, déterminant la largeur de raie, le profil du faisceau et la cohérence du laser.
Clinical relevance
Les lasers sont utilisés dans toute la médecine pour la découpe et la coagulation des tissus en chirurgie, pour la photocoagulation et la correction réfractive en ophtalmologie, pour les traitements dermatologiques et esthétiques, et comme sources lumineuses pour l'imagerie diagnostique et la spectroscopie, leur sortie précise et cohérente permettant une délivrance d'énergie contrôlée.
History
Einstein a introduit l'émission stimulée en 1917, mais l'amplification cohérente n'a été réalisée qu'avec le maser des années 1950 par Townes et ses collègues. Schawlow et Townes ont décrit le laser optique en 1958, et Maiman a fait fonctionner le premier laser opérationnel, un dispositif à rubis, en 1960, ouvrant ainsi le champ de recherche.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Arthur L. Schawlow
- Theodore H. Maiman
Related topics
Seminal works
- siegman1986
- svelto2010
Frequently asked questions
- Qu'est-ce qui distingue la lumière laser de la lumière ordinaire ?
- La lumière laser est hautement cohérente, presque monochromatique et émise sous forme de faisceau directionnel bien défini, car elle résulte de l'émission stimulée dans quelques modes de résonateur plutôt que de l'émission spontanée indépendante dans de nombreuses directions et longueurs d'onde.
- Pourquoi un laser a-t-il besoin d'un résonateur ?
- Le résonateur renvoie la lumière à travers le milieu à gain de nombreuses fois, permettant au champ de s'accumuler par émission stimulée répétée et sélectionnant les fréquences spécifiques et la forme du faisceau qui maintiennent l'oscillation.