LASER est l'acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Comme son nom l'indique, l'émission stimulée est à la base du fonctionnement du laser.
1. Émission stimulée
On peut rappeler qu'il existe trois processus d'interaction photon-matière :
- l'absorption : un photon de fréquence $\nu$ est absorbé par un atome dans un niveau d'énergie $E_1$ et passe alors dans le niveau d'énergie supérieur $E_2$. La fréquence $\nu$ du photon absorbé vérifie $h\nu=E_2-E_1$ avec h la constante de Planck.
- l'émission spontanée : un atome excité au niveau $E_2$ se désexcite dans le niveau inférieur $E_1$ en émettant spontanément un photon de fréquence $\nu$ telle que $h\nu=E_2-E_1$.
- l'émission stimulée : un photon de fréquence $\nu$ est absorbé par un atome dans un niveau d'énergie $E_2$. L'atome se désexcite alors en émettant un nouveau photon identique au photon absorbé puis ré-émis. L'émission stimulée est donc un processus d'émission cohérente amplifiant le signal (un photon donne deux photons identiques).
Dans le cas du laser, on s'intéresse à l'émission stimulée car c'est ce processus qui réalise une amplification du signal.
Remarque : Ces trois processus se produisent simultanément et l'importance de chacun peut être quantifiée avec les coefficients d'Einstein.
2. Inversion de population
Pour que l'émission stimulée se produise, il faut que l'electron soit excité, c'est-à-dire dans le niveau d'énergie supérieur $E_2$. Or, d'après la loi de Boltzmann, à l'équilibre thermodynamique, l'immense majorité des électrons sont dans le niveau d'énergie $E_1$ et pas $E_2$.
Il est donc nécessaire de réaliser une inversion de population à l'aide d'un pompage d'électrons du niveau $E_1$ vers le niveau $E_2$.
Les atomes ayant subi l’inversion de population constituent le dénommé « milieu actif » du laser. Chaque émission spontanée d'énergie $E_2-E_1$ va émettre un photon ayant la bonne fréquence pour induire des émissions stimulées, elles-mêmes émettant de nouveaux photons identiques aux précédents. On observe alors des émissions stimulées en cascade : le signal est amplifié en peu de temps.
Remarque : Le pompage optique et les décharges électriques sont deux exemples de moyen permettant de réaliser une inversion de population.
3. Cavité résonante
Pour augmenter l'amplification du signal obtenue à partir de l'émission stimulée, on place le milieu actif dans une cavité optique constituée de deux miroirs : l'un totalement réfléchissant et l'autre partiellement (pour laisser sortir le faisceau). Les photons vont donc faire des allers retours ce qui amplifie le nombre d'émissions stimulées.
Remarque : La condition de résonance impose que la cavité ait pour longueur un multiple de la demi longueur d'onde (condition d'interférences constructives entre les ondes à chaque aller-retour).
