Physique · Glossaire

Qu'est-ce que « Cavité laser » ?

Aussi appelé : laser

Définition 23.7 Physique universitaire — 2e année · Chapitre 23 — Le laser : émission stimulée et faisceaux gaussiens

Un laser est un milieu amplificateur de longueur \ell placé entre deux miroirs (réflectances R1R_1, R2R_2) distants de LL : une cavité de Fabry–Pérot (Chapitre 21). Un miroir, le coupleur de sortie, est partiellement transmetteur (T2=1R2T_2 = 1 - R_2 de quelques pour cent) et laisse sortir le faisceau. La lumière qui fait le tour de la cavité est amplifiée deux fois par le milieu et atténuée par les miroirs et par les autres pertes (diffusion, absorption, diffraction).

La courbe de gain du milieu (de largeur ), le seuil fixé par les pertes, et le peigne des modes de la cavité espacés de c/2L : seuls les modes sous la courbe et au-dessus du seuil (en gras) oscillent.
La courbe de gain du milieu (de largeur Δν\Delta\nu), le seuil fixé par les pertes, et le peigne des modes de la cavité espacés de c/2Lc/2L : seuls les modes sous la courbe et au-dessus du seuil (en gras) oscillent.

Exemples

Exemple 23.11 (Le laser hélium–néon)

Un tube de verre long de 30cm30\,\mathrm{cm}, d’alésage 1mm1\,\mathrm{mm}, contenant de l’hélium et du néon à environ un millième d’atmosphère, traversé par une décharge de quelques milliampères. Les électrons portent l’hélium à un niveau métastable à 20.6eV20.6\,\mathrm{eV}, qui cède son énergie par collision à un niveau du néon à presque exactement la même hauteur ; de là le néon retombe sur un niveau inférieur (se vidant vite vers le fondamental — quatre niveaux) en émettant à 632.8nm632.8\,\mathrm{nm}. Le gain petit signal est minuscule, quelques pour cent par passage, de sorte que les miroirs doivent être excellents (R1=0.999R_1 = 0.999, R2=0.99R_2 = 0.99) et le tube propre ; la raie de gain est élargie par effet Doppler jusqu’à Δν1.5GHz\Delta\nu \approx 1.5\,\mathrm{GHz}, les modes sont espacés de c/2L=500MHzc/2L = 500\,\mathrm{MHz}, de sorte que deux ou trois modes oscillent à la fois. Sortie 1mW1\,\mathrm{mW} pour plusieurs watts de décharge : rendement 10410^{-4} ; mais une longueur d’onde définie à 10610^{-6} près et un faisceau qui reste large de 1mm1\,\mathrm{mm} à travers le laboratoire.

Exemple 23.14 (Couper, lire, pointer)

Un laser à dioxyde de carbone de 1kW1\,\mathrm{kW} à 10.6µm10.6\,\text{µ}\mathrm{m}, de rayon de faisceau 10mm10\,\mathrm{mm}, focalisé par f=100mmf = 100\,\mathrm{mm} : w0=34µmw_0' = 34\,\text{µ}\mathrm{m}, éclairement maximal 2P/πw02=5×1011W/m22P/\pi w_0'^2 = 5 \times 10^{11}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2} — l’acier bout. Un pointeur de 1mW1\,\mathrm{mW}, w0=0.5mmw_0 = 0.5\,\mathrm{mm} à 633nm633\,\mathrm{nm} : θ=0.4mrad\theta = 0.4\,\mathrm{mrad}, une tache de 4cm4\,\mathrm{cm} à 50m50\,\mathrm{m}, un éclairement de 2.5kW/m22.5\,\mathrm{kW}/\mathrm{m}^{2} à la sortie — au-dessus de la lumière solaire, ce qui explique pourquoi même un milliwatt ne doit jamais entrer dans un œil : le cristallin le focaliserait en une tache de 10µm10\,\text{µ}\mathrm{m} sur la rétine, à des millions de watts par mètre carré. Un lecteur de disque à 650nm650\,\mathrm{nm} avec une lentille d’ouverture numérique 0.60.6 focalise en environ λ/2NA0.5µm\lambda/2\mathrm{NA} \approx 0.5\,\text{µ}\mathrm{m}, la taille d’une cuvette.

Lire dans le chapitre →