Histoire et principe de fonctionnement du MASER et du LASER

L'histoire du LASER commence dans les années 1800 avec la modification du concept de la lumière.

En 1801, Thomas Young remet en question l'interprétation corpusculaire de la lumière. Grâce à sa célèbre expérience des fentes d'Young il met en évidence le comportement ondulatoire de la lumière.

La théorie ondulatoire de la lumière va ensuite être appuyée par les travaux de Augustin Fresnel et François Arago. En juillet 1849, Hippolyte Fizeau réalise une mesure la vitesse de la lumière dans l'air en utilisant une roue dentée tournant à vitesse constante. Il trouve une vitesse proche de 315 300 km/s.

En 1864, James Clerk Maxwell publie la théorie de l'électromagnétisme. Ainsi il montre que la lumière est une perturbation électromagnétique qui se propage dans l'espace. Il trouve une vitesse de 310 740 km/s.

Le caractère ondulatoire de la lumière semble alors admis lorsque Max Planck, en 1900, cherche à expliquer les phénomènes d'incandescence. Il montre que l'énergie lumineuse ne s'échange pas avec la matière d'une façon continue, mais par paquets d'énergie qu'il appelle quanta. L'énergie est donnée par la formule E = hν avec ν la fréquence du rayonnement et h = 6,62.10^-34, appelée de fait, constante de Planck. En 1905, Albert Einstein décrit l'effet photoélectrique. Il montre que chaque corpuscule de lumière a une énergie déterminée. Cette énergie est égale au produit de la fréquence de la lumière par la constante h.

Max Planck va recevoir le prix Nobel de physique en 1918 pour ses travaux sur la théorie des quanta, Albert Einstein recevra lui-aussi le prix Nobel de physique en 1921 pous son explication de l'effet photoélectrique.

Puis, Niels Bohr, en 1922, va recevoir le prix Nobel pour son apport à l'édification de la mécanique quantique. Il présente une théorie selon laquelle l'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans cette représentation planétaire des électrons, plus les électrons sont éloignés du noyau, plus leur énergie est importante. Les électrons ont la possibilité de passer d'un niveau à un autre en émettant un quantum d'énergie : un photon.

Sur la figure 1 sont représentés deux niveaux d'énergie d'un atome. Il faut apporter de l’énergie à l’atome pour faire sauter les électrons sur des niveaux supérieurs. Cette énergie doit être de plus en plus grande lorsqu’on s’éloigne du noyau.

Figure 1. Représentation de deux niveaux d'énergie d'un atome

Chaque niveau est caractérisé par son énergie, sa population et sa durée de vie (c'est-à-dire le temps caractéristique de dépeuplement de ce niveau). Lorsqu'un atome est excité par un apport extérieur d'énergie, les électrons passent sur des niveaux d'énergie supérieurs. La durée de vie sur ces niveaux est très faible, ils retournent spontanément sur un niveau inférieur en émettant un photon de fréquence ν telle que E₂ - E₁ = hν.

En 1913, on ne connaissait que deux processus d’interaction entre les atomes et le rayonnement : l’absorption et l’émission spontanée.

Figure 2. Absorption

Figure 3. Émission spontanée

L'expérience de résonance optique avec du sodium est présentée sur le schéma et le film de la figure 4. Une lampe à sodium délivre un faisceau de lumière qui passe dans un ballon rempli de vapeur de sodium.

Le principe de l'expérience repose sur le fait que les atomes de vapeur de sodium absorbent les photons de fréquence ν de telle sorte qu'ils passent de l'état fondamental E₁ à l'état excité E₂. Les atomes excités redescendent ensuite spontanément à l'état fondamental en ré-émettant des photons dont la longueur d'onde correspond exactement à la différence d'énergie E₂-E₁. À la sortie du ballon, l'onde émergente est atténuée (à cause du phénomène d'absorption) et on observe une émission spontanée produite dans toutes les directions.

Source - © 2010 B. Cagnac Figure 4. Schéma et film de l'expérience de résonance optique avec du sodium

Dans un article publié en 1917, Albert Einstein introduit un troisième processus : l’émission stimulée. Il s’agit du processus inverse de l’absorption, se produisant, comme elle, en présence de rayonnement incident résonant avec la fréquence de transition des atomes.

Lors de l'émission stimulée, figure 5, un photon d'énergie hν induit la désexcitation d'un atome du niveau 2 vers le niveau 1. Celle-ci s'accompagne de l'émission d'un photon inducteur de même fréquence, même direction de propagation et même état de polarisation. Le faisceau incident de lumière « s'enrichit » en photons identiques pour venir créer une amplification de la lumière. Le photon créé par émission stimulée possède les mêmes propriétés que le photon « déclencheur » (fréquence, phase, direction de propagation, état de polarisation).

Figure 5. Emission stimulée

Cependant pour que le processus d'absorption ne cache pas le processus d'émission il est nécessaire qu'il y ait plus d'atomes dans l'état haut que dans l'état bas. Or, dans la matière les particules sont beaucoup plus nombreuses dans l'état fondamental que dans un état excité. Il a alors fallu trouver un moyen de renverser la tendance thermique pour obtenir, dans le milieu, plus de particules dans un état excité que dans un état fondamental, c'ést-à-dire réaliser une inversion de population.

Cela semblait irréalisable car le coefficient de probabilité de retombée spontanée des atomes A_2->1 est très grand : de 10⁶ à 10⁹ par seconde. Albert Einstein avait notamment montré que cette probabilité était proportionnelle au cube de la fréquence.

Finalement Charles Hard Townes a utilisé l'idée d'Eistein pour construire son premier appareil, en 1954. Il se sera passé presque 40 ans pour passer de l'imagination d'Einstein à la réalisation pratique de l'émission stimulée. Charles Townes travaillait sur la microscopie micro-onde des molécules à l'aide d'oscillateurs électroniques. Ainsi en passant de la lumière, c'est-à-dire des fréquences de 10⁶ Ghz, aux micro-ondes, fréquences de l'ordre du GHz, la probabilité de retombée spontanée des atomes se trouve divisée par un million au cube !

Charles Townes utilisait des molécules d'ammoniac pour réaliser une transition entre deux états E₂ et E₁ tels que E₂ - E₁ ≃ 1 μV

Le rapport entre les occupations des niveaux E₂ et E₁ est donné par la loi de Boltzmann :

$\frac{N_2}{N_1}=\exp (-\frac{E_2-E_1}{\mathit{kT}})$

Pour une temptérature T = 300°K et la constante de Boltzmann k = 8,61.10^-3 eV/K, on trouve N₂/N₁ ≃ 0,98. C'est-à-dire qu'il disposait environ d'autant de molécules dans l'état E₂ que dans l'état E₁.

Toute l'astuce de son appareil résidait dans le fait que les atomes dans les niveaux d'énergie E₁ et E₂ n'ont pas le même moment dipolaire électrique. Il a proposé de créer un gradient de champ électrique afin que les atomes dans ces deux niveaux d'énergie ne soient pas déviés de la même façon, figure 6. Il a choisi de dévier les atomes qui se trouvent dans le niveau E₁ contre une paroi refroidie à l'azote liquide, pour les solidifier. Les atomes dans l'état E₂ étaient, par contre, dirigés vers un orifice pour venir tomber dans un guide d'onde, dans lequel se trouvait l'onde incidente. Par la suite, l'onde radar émise ressortait amplifiée. Charles Townes a appelé son appareil Microwave Amplifiery by Stimulated Emission of Radiation.

Figure 6. Principe de fonctionnement du MASER à ammoniac

Charles Townes a ensuite réfléchi à la manière de transposer son appareil utilsant les micro-ondes à des fréquences plus grandes. En 1958 il publie, avec son nouveau collaborateur Arthur Schawlow, un article qui présente une nouvelle idée pour réaliser l'inversion de population : le pompage optique. Charles Townes avait bénéficié, en 1955, d'une année sabatique au cours de laquelle il avait passé plusieurs mois dans un laboratoire de l'ENS de la rue d'IUlm à Paris avec Albert Kastler. Dans ce laboratoire, Albert Kastler utilisait le pompage optique pour orienter le moment magnétique d'atomes avec de la lumière polarisée.

Les électrons d'un atome possèdent deux états quantiques, un spin up et un spin down. Ils n'ont pas la même énergie, on décrit ainsi deux niveaux d'énergie magnétique. À l'aide de la lumière polarisée Albert Kastler arrivait à transmettre de la rotation aux atomes. Il était ainsi capable de faire passer les atomes d'un niveau d'énergie à un autre en utilisant une sorte de pompage optique.

Charles Townes avait eu le préssentiment qu'il était possible de généraliser le pompage optique pour fabriquer le LASER.

Figure 7. Principe du pompage et de l'émission