Quel phénomène quantique explique la cohérence des lasers ?

La cohérence des lasers repose sur un mécanisme quantique précis : l’émission stimulée. Contrairement à une source lumineuse ordinaire, où les atomes émettent spontanément des photons aux propriétés moins corrélées, un laser produit une lumière amplifiée dont les photons sont étroitement synchronisés. Ce phénomène avait été décrit par Albert Einstein en 1917, plusieurs décennies avant la mise au point des premiers lasers.

Le principe de l’émission stimulée

Un atome peut se trouver dans un état excité avant de revenir vers un niveau d’énergie inférieur en émettant un photon. Cette émission peut se produire spontanément, mais elle peut aussi être provoquée par le passage d’un photon incident dont l’énergie correspond à la transition entre les deux niveaux de l’atome. L’atome émet alors un second photon identique au photon incident par son énergie et sa direction ; ces photons partagent également les propriétés de phase et de polarisation associées au mode lumineux. L’émission stimulée permet ainsi de reproduire un rayonnement déjà présent au lieu de produire une lumière indépendante et désordonnée.

De l’émission à l’amplification

Pour qu’un laser fonctionne, l’émission stimulée doit devenir plus importante que l’absorption de photons par les atomes. Le milieu amplificateur est donc préparé dans une situation appelée inversion de population : davantage d’atomes se trouvent dans le niveau excité concerné que dans le niveau inférieur de la transition laser. Un apport d’énergie, appelé pompage, rend cette situation possible. Les photons produits peuvent ensuite stimuler d’autres émissions, ce qui amplifie progressivement le rayonnement.

Le rôle de la cohérence

La cohérence laser résulte du fait que l’émission stimulée impose aux photons nouvellement créés des caractéristiques liées à celles du photon qui les provoque. La lumière obtenue présente ainsi une forte cohérence, notamment une bonne corrélation de phase, ainsi qu’une faible dispersion autour de certaines fréquences. Une cavité optique, généralement formée de miroirs, renforce les modes lumineux qui correspondent aux conditions du laser et permet au rayonnement de s’intensifier. La cohérence et la directivité du faisceau expliquent l’utilisation des lasers dans les télécommunications, la métrologie, la médecine et de nombreuses applications industrielles.