La cavité optique

Amplifier ne suffit pas : il faut une cavité

L'inversion de population permet d'amplifier la lumière à chaque passage dans le milieu. Mais un seul passage ne suffit pas à obtenir un faisceau intense et pur. L'astuce du laser : faire passer la lumière un très grand nombre de fois dans le milieu, à l'aide d'une cavité optique — deux miroirs qui se font face.

   Structure d'un laser :

   miroir 100%                          miroir partiel (~99%)
      |||                                     |||
      |||  [====== milieu amplificateur ======]  |||
      |||         ^^^^^^^^^^^^^^^^^                |||
      |||         pompage (energie)               |||
      |||                                          ||| ---> faisceau LASER
      totalement                              laisse sortir
      reflechissant                           ~1 % de la lumiere

Le principe de la cavité

• Un miroir est totalement réfléchissant (100 %).
• L'autre est partiellement réfléchissant (par exemple 99 %) : il renvoie presque toute la lumière dans la cavité, mais en laisse fuir une petite fraction — c'est elle qui forme le faisceau laser utile.

Les photons font des allers-retours entre les miroirs, traversant à chaque fois le milieu amplificateur, déclenchant à chaque passage de nouvelles émissions stimulées. L'intensité grandit à chaque tour.

   photon initial (emission spontanee)
        -> traverse le milieu : amplifie
        -> rebondit sur un miroir
        -> re-traverse : re-amplifie
        -> rebondit...
        -> avalanche de clones identiques
        -> ~1 % s'echappe a chaque passage : le FAISCEAU

La sélection naturelle des photons

La cavité opère aussi un tri. Seuls les photons se déplaçant exactement le long de l'axe des miroirs font de nombreux allers-retours ; ceux qui partent de travers quittent la cavité après un ou deux passages et ne sont pas amplifiés.

   photon sur l'axe    : rebondit des milliers de fois -> amplifie -> survit
   photon de travers   : sort tout de suite -> non amplifie -> elimine

Résultat : le faisceau final est extraordinairement directionnel — tous les photons voyagent parallèlement à l'axe. C'est ce tri géométrique, combiné au clonage par émission stimulée, qui donne au laser son pinceau si fin et si peu divergent.

L'équilibre de fonctionnement

Le laser se stabilise quand le gain (photons créés par émission stimulée à chaque passage) compense exactement les pertes (photons qui s'échappent par le miroir partiel, plus les pertes diverses). Le pompage doit être assez fort pour dépasser un certain seuil ; en dessous, l'amplification ne compense pas les pertes et le laser ne « démarre » pas.

En résumé

La cavité optique — deux miroirs se faisant face, dont un partiellement réfléchissant — fait faire à la lumière de multiples allers-retours dans le milieu amplificateur, si bien que l'émission stimulée s'accumule à chaque passage. Elle sélectionne aussi les photons voyageant le long de l'axe, d'où la grande directionnalité du faisceau. Le laser fonctionne dès que le gain dépasse les pertes (au-dessus d'un seuil de pompage), et une petite fraction de la lumière s'échappe pour former le faisceau.