Laser

Décrire la structure d'un faisceau laser en précisant les grandeurs d'intérêt et les relations entre-elles. Préciser la géométrie de l'onde lumineuse au sein du faisceau.

• Le faisceau est décrit par son waist qui est sa plus petite demi-dimension latérale notée w₀.

• La troisième grandeur est la longueur de Rayleigh qui est la distance au waist à laquelle l'onde peut être considée comme plane. Au-delà elle est sphérique.

• Proche du waist l'onde a une structure d'onde plane. Loin du waist l'onde est sphérique.

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Quelle est la répartition transversale de l'intensité dans le faisceau laser ?

• On parle de faisceau gaussien

• L'intensité est celle d'une fonction de Gauss centrée sur le faisceau

• Plus le faisceau est large moins la fonction est piquée.

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On considère un système à deux niveaux d'énergie E₁ et E₂. Quels sont les processus d'interaction lumière-matière à prendre en compte ?

• L'absorption d'un photon pour passer d'un niveau E₁ à un niveau E₂. La probabilité de passage est fonction d'un coefficient B₁₂

• L'émission spontanée d'un photon pour passer d'un niveau E₂ à un niveau E₁. La probabilité est fonction d'un coefficient A_21.

• L'émission stimulée (induite) d'un photon par un photon incident. La probabilité est fonction d'un coefficient B₂₁.

Que peut-on dire des photons induits par rapport aux photons incidents ? Pourquoi parle-t-on de lumière cohérente ?

• Les photons incidents et induits sont identiques en tout point.

• Ils ont la même énergie

• même phase, la lumière est cohérente.

• même polarisation

Donner la statistique de répartition de population N₁ et N₂, d'énergie respectives E₁ et E₂ selon la statistique de Boltzmann :

• Plus la différence entre les niveaux d'énergies est élevée et moins les niveaux de hautes énergie sont peuplés.

Pourquoi ne peut-on pas créer un laser à deux niveaux d'énergie ?

• Car il faut réaliser l'inversion de population.

• L'inversion de population est impossible à deux niveaux, il en faut au moins 3.

Que sont les modes de cavité laser ?

• Les interférences sont constructives pour un aller retour égal à nombre entier de longueurs d'onde

• 2L = nλ

• La cavité sélectionne donc plusieurs λ. La raie atomique d'émission est suffisament large pour que plusieurs λ y soient sélectionnés.

• La largeur des pics sélectionnés est beaucoup plus petite que celle de la raie d'émission grâce au filtre que consituent les miroirs interne (Fabry-Pérot)

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