Le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, qui signifie “amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement”) est un amplificateur de lumière reposant sur le principe de lumière stimulée. Nous allons dans cette partie expliquer toutes les notions importantes pour la compréhension du fonctionnement d'un laser.

Après absorption d'un photon de longueur d'onde λ = hc/ΔE, l'atome s'excite ce qui provoque le transfert d'un électron sur le niveau d'énergie supérieur. L'arrivée d'un photon de même énergie sur cet atome le désexcite, et en retournant à son état fondamental, celui-ci émet un photon qui prend exactement les mêmes caractéristiques (longueur d'onde, direction de trajectoire et phase) que le photon incident. On se retrouve donc avec deux photons à la place d'un seul. En répétant ce phénomène plusieurs fois, on peut ainsi créer une lumière composée de photons tous identiques.

A l'équilibre thermodynamique, le niveau N_2 est toujours inférieur au niveau N_1. En effet, selon la loi de Boltzmann: $$N_2 = N_1 . exp(-\frac{E_2 - E_1}{kT})$$ Ainsi, à l'équilibre, on aura toujours plus d'atomes non excités que d'atomes excités. Il nous faut donc créer une situation hors équilibre grâce à un système de pompage afin de surpeupler le niveau N2.

Le pompage peut être

• optique (lasers à solides) : absorption de photons. On utilise des systèmes à 3 niveaux ou plus.
• électrique (lasers à gaz) : états excités suite à des collisions dans une décharge électrique.
• autres types comme le pompage chimique ou par injection de porteurs.

L'exemple le plus simple de cavité utilisée est la cavité laser constitué de deux miroirs parallèles. Après excitation et désexcitation des atomes et émissions de photons, ces photons peuvent stimuler d'autres libérations de photons et ainsi de suite. Ces photons, de trajectoire perpendiculaire aux plans des miroirs, en rencontrant un miroir, sont renvoyés en sens inverse et pourront de nouveaux contribuer aux émissions stimulées. A chaque aller-retour des photons, le nombre de photons dans la cavité augmente. On amplifie le milieu.

L'un des deux miroirs est partiellement transparent afin de pouvoir transmettre une partie de la lumière.