Absorption, émission spontanée, émission stimulée

Trois façons dont la lumière et la matière interagissent

En 1917, bien avant le premier laser, Einstein a montré qu'un atome et un photon peuvent interagir de trois manières. Deux étaient connues ; la troisième, qu'il a prédite théoriquement, est la clé du laser.

On considère un atome à deux niveaux : un niveau bas E1 et un niveau haut E2, séparés par ΔE = E2 - E1 = hf.

1. L'absorption

Un photon d'énergie hf arrive sur un atome dans l'état bas. L'atome l'absorbe et monte au niveau haut. Le photon disparaît.

   AVANT              APRES
   ---- E2            -O-- E2   <- atome monte
    hf ~~>
   -O-- E1            ---- E1
   (photon absorbe, atome excite)

2. L'émission spontanée

Un atome excité est instable. Au bout d'un temps aléatoire, il retombe tout seul en émettant un photon hf. Mais ce photon part dans une direction quelconque, à un instant imprévisible, avec une phase quelconque.

   AVANT              APRES
   -O-- E2            ---- E2
                            ~~> hf  (direction et instant ALEATOIRES)
   ---- E1            -O-- E1

C'est ce qui se passe dans une ampoule ou une bougie : une multitude d'atomes émettent chacun dans leur coin, au hasard. La lumière obtenue est désordonnée (incohérente), multicolore, éparpillée dans toutes les directions.

3. L'émission stimulée : la clé du laser

Voici la découverte d'Einstein. Si un photon hf passe près d'un atome déjà excité, il peut déclencher sa désexcitation avant qu'elle ne se produise spontanément. L'atome émet alors un second photon — mais pas n'importe lequel :

   AVANT                    APRES
   -O-- E2                  ---- E2
    hf ~~>  (photon           ~~> hf   (photon incident, inchange)
            incident)         ~~> hf   (photon EMIS, clone parfait !)
   ---- E1                  -O-- E1

Le photon émis est un clone parfait du photon incident : même énergie (même couleur), même direction, même phase, même polarisation. Là où il y avait un photon, il y en a maintenant deux, rigoureusement identiques.

L'effet d'amplification

C'est ce clonage qui rend l'amplification possible. Un photon en stimule un autre, ces deux en stimulent deux autres, et ainsi de suite : une avalanche de photons tous identiques.

   1 photon  ->  2  ->  4  ->  8  ->  ...  (tous identiques)

   LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
           (amplification de lumiere par emission stimulee)

Le mot « LASER » est l'acronyme exact de ce mécanisme. Toute la lumière laser — cohérente, monochromatique, directionnelle — vient de cette cascade de clonages.

En résumé

Trois processus relient lumière et matière : l'absorption (l'atome monte en avalant un photon), l'émission spontanée (il retombe seul, émettant un photon dans une direction et à un instant aléatoires — lumière désordonnée), et l'émission stimulée (un photon en déclenche un autre, clone parfait : même couleur, direction, phase). C'est ce clonage en avalanche, prédit par Einstein, qui fonde le laser.