Analogie de la dualité onde/corpuscule
Analogie de la dualité onde/corpuscule

La lumière : onde ou corpuscule ?

Pour rendre compte de nombreux phénomènes lumineux comme les arcs-en-ciel, la physique classique considère la lumière comme une onde, depuis le XVIIIème siècle. Au début du XXème siècle, Albert Einstein affirme qu’elle peut être aussi considérée comme un flux de corpuscules. Ces corpuscules sont constitués d’une certaine quantité d’énergie, et sont nommés quanta lumineux, ou photons. Le photon n’a pas de masse, c’est un « paquet d’énergie ». Cette quantité d’énergie diffère selon les couleurs. Ainsi, un photon de lumière rouge est un corpuscule moins énergétique qu’un photon de lumière verte. Un photon est un objet quantique : il ne peut être complètement décrit ni comme un corpuscule, ni comme une onde. Tour à tour, chacun de ces modèles rend compte de la plupart des phénomènes lumineux.


Les atomes et les couches électroniques

Un atome est constitué d'un noyau (protons chargés positivement et neutrons, sans charge) et d'électrons (chargés négativement) qui orbitent autour de celui-ci. L'analogie avec les planètes gravitant autour du soleil est simpliste et peu réaliste. En réalité, les électrons se "délocalisent" sur différentes couches, sans que l'on puisse en définir la place exacte. C'est un peu comme si, dans le modèle planétaire, ils ne pouvaient occuper que certaines orbites particulières, mais sans nécessairement suivre une courbe précise. Ces couches électroniques se classent par leur énergie propre, qui reflète peu ou prou l'éloignement au noyau.

La « montée » d’une couche inférieure vers une couche supérieure nécessite donc l’apport d’une certaine quantité d’énergie. A l’inverse, quand un électron « descend » d’une couche supérieure vers une couche inférieure, il libère une quantité définie d’énergie égale à la différence entre les deux couches. Lorsque cette énergie est convertie en lumière, on parle d’émission spontanée. Cette lumière est émise dans toutes les directions à des instants aléatoires.


L’émission stimulée : la photon-copie

La transition entre deux couches électroniques correspond à une certaine quantité d’énergie. Si un photon ayant exactement cette énergie interagit avec un électron situé sur la couche supérieure, il peut déclencher la transition de cet électron vers la couche inférieure, qui s’accompagne de l’émission d’un nouveau photon. Celui-ci alors aura la même énergie, donc la même fréquence que le premier photon. De plus, ils se déplaceront dans la même direction et en phase, « l’un à côté de l’autre ». Ce phénomène d’émission stimulée permet d’obtenir deux photons identiques à partir d’un seul ! C’est l’amplification optique.


Le pompage : préparer la matière

Afin d’obtenir une émission stimulée, il faut que les atomes se trouvent majoritairement dans un état excité. Cet état peut être produit de nombreuses façons, mais est souvent réalisé avec des photons « de pompe ». Un photon incident porte une quantité d’énergie bien définie. Si celle-ci correspond à la différence entre deux couches, alors cette énergie fera grimper l’électron sur la couche supérieure, jusqu’à ce que la population excitée soit supérieure à celle de l’état inférieur. C’est une inversion de population : les électrons migrent vers les couches supérieures, et sont donc prêts à émettre à leur tour un photon. On parle alors de pompage optique.


Et la lumière fut

Dans la cavité du laser, le milieu actif est constitué d’atomes dont les électrons sont sur des couches supérieures (en inversion de population). Dès qu’une émission spontanée se produit, le photon émis va servir d’allumette et, rencontrant un électron excité, va provoquer une émission stimulée, et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne est encadrée par deux miroirs, l’un totalement réfléchissant, l’autre semi-réfléchissant. Les photons font des allers-retours provoquant toujours plus d’émissions stimulées, amplifiant le rayon. Le miroir semi-réfléchissant laisse passer en continu une partie des photons, qui constituent le faisceau laser de sortie.