Physique des lasers - 4PMNPLA9

Objectif(s)

Les lasers sont des dispositifs incontournables dans beaucoup de domaines de la haute technologie. Les applications du laser sont de plus en plus nombreuses, allant des télécommunications à la fusion thermonucléaire, ce qui nécessite une activité importante en matière de recherche et développement pour les décennies à venir.
Ce cours a donc pour objectif de préparer les futurs ingénieurs à ces nouveaux enjeux technologiques, en leur donnant les connaissances nécessaires sur le principe et le fonctionnement des lasers, ainsi que sur leurs applications existantes et potentielles.

Contenu(s)

I Introduction
I.1 Principes de base
I.2 Champ disciplinaire et cadre du cours
I.3 Rappel sur les ondes électromagnétiques et les photons
I.4 Historique

II Le milieu amplificateur
II.1 Rappel sur la statistique de Boltzmann
II.2 Interaction entre un système atomique à 2 niveaux et le rayonnement électromagnétique émis par un corps noir
II.2.1 Rappels sur le corps noir
II.2.2 Absorption
II.2.3 Emission spontanée
II.2.4 Emission stimulée
II.2.5 Relations d’Einstein
II.3 Propagation d’une onde électromagnétique dans un système à 2 niveaux présentant une largeur de raie
II.4 Origines de la largeur de raie
II.4.1 Elargissement homogène
II.4.2 Elargissement inhomogène
II.5 Systèmes permettant l’inversion de population et modes de pompage associés
II.5.1 Systèmes à 3 niveaux
II.5.1.1 Transition laser entre le niveau supérieur et le niveau intermédiaire avec pompage optique
II.5.1.2 Transition laser entre le niveau supérieur et le niveau intermédiaire avec pompage électrique

• Excitation directe : lasers à argon et à vapeur de cuivre
• Excitation indirect : lasers helium-neon et CO2
  II.5.1.3 Transition laser entre le niveau intermédiaire et le niveau fondamental avec pompage optique
• Laser à rubis
  II.5.2 Systèmes à 4 niveaux ou équivalent 4 niveaux avec pompage optique
• Solides diélectriques : YAG :Nd, YVO4 :Nd, Sapphire :Ti
• Colorants liquides
  II.5.3 Systèmes exiplexes gazeux avec pompage électrique
  II.5.4 Emission laser dans les semi-conducteurs
  II.5.4.1 Principe
  II.5.4.2 Laser à homo-jonction
  II.5.4.3 Laser à hétéro-jonction

III Le résonateur
III.1 seuil d’oscillation
III.2 Régimes temporels (1ère partie)
III.2.1 Les équations du laser
III.2.2 Durée de vie des photons dans la cavité
III.2.3 Régime continu
III.2.4 Régime déclenché (impulsions micro- et nano-secondes)
III.3 Modes propres d’une cavité
III.3.1 Faisceaux gaussiens
III.3.2 Critère de stabilité
III.3.3 Critère de résonance – Modes propres
III.3.4 Filtrage des modes propres
III.3.5 Finesse de cavité
III.5 Régimes temporelles (2ème partie) - Laser multi-modes synchronisés pico- et femto-secondes
III.6 Synthèse sur les caractéristiques temporelles des lasers

IV Cohérence spatiale – Cohérence temporelle
IV.1 Cas de la lumière naturelle
IV.2 Cas de la lumière laser

V Domaines d’application des lasers

-Electro-magnétisme
-Optique classique
-Physique de la matière