Laser Physics 1.2 The Laser Idea

Ce cours de physique des lasers, deuxième volet d’une série, présente les trois ingrédients fondamentaux nécessaires au fonctionnement d’un laser : l’amplification de la lumière par émission stimulée, le mécanisme de rétroaction via une cavité optique, et le pompage pour créer une inversion de population. L’exposé commence par établir l’équation différentielle régissant la variation du flux de photons dans un milieu actif, en négligeant les processus non radiatifs et l’émission spontanée qui ne contribuent pas au faisceau laser. La condition d’amplification est dérivée : la population de l’état excité doit dépasser celle de l’état fondamental, pondérée par les dégénérescences. À l’équilibre thermique, cette condition n’est jamais satisfaite, comme le montre l’exemple du laser Nd:YAG à température ambiante. Il est donc nécessaire de pomper le milieu pour le sortir de l’équilibre. Ensuite, l’analyse d’un aller-retour dans une cavité à deux miroirs permet de définir le gain et les pertes, et d’établir la condition de seuil : le gain doit compenser les pertes. La notion de pertes logarithmiques est introduite pour simplifier l’expression du seuil d’inversion de population critique. Enfin, des approximations pour les faibles pertes sont présentées, facilitant l’estimation pratique du seuil. Le cours se conclut en annonçant le prochain sujet : les schémas de pompage.