Fonctionnement du laser
Le résonateur optique
Les trois principales composantes d'un laser sont les suivantes : un milieu actif, un mécanisme de pompage et un résonateur optique. Un système laser peut être schématisé de la façon suivante:
L'émission stimulée est au coeur même du fonctionnement de la très grande majorité des lasers. Ce processus est en partie responsable de l'amplification de la lumière dans le laser. Elle se produit dans le milieu actif quand il y a inversion de population dans celui-ci. Le milieu actif est caractérisé par la présence de particules possédant au moins un état d'énergie excité métastable. Une particule qui se trouve dans cet état le restera suffisamment longtemps pour que le phénomène d'émission stimulée puisse se produire. L'existence de ce niveau métastable permet aussi la production d'une inversion de population dans le milieu.
Cependant, ce processus n'est pas suffisant pour produire à lui seul un faisceau laser. C'est pourquoi le milieu actif est placé dans un résonateur optique, qui peut aussi être appelé oscillateur laser.
Le résonateur est constitué de deux miroirs parallèles entre lesquels est placé le milieu actif. Le premier miroir, le réflecteur, est totalement réfléchissant alors que le second, le coupleur, est semi-transparent. Il permet ainsi à la lumière de sortir de la cavité. Le résonateur contribue en grande partie à l'amplification de la lumière dans le laser. Les photons, en étant réfléchis par les miroirs, peuvent traverser plusieurs fois le milieu actif et provoquer l'émission stimulée d'un plus grand nombre de photons. Lorsque le processus d'amplification se produit dans le laser, on dit qu'il oscille.
De plus, le résonateur est généralement construit
de manière à favoriser l'une des longueurs d'onde (on sait que
la longueur d'onde de la lumière est de 
, où c est la vitesse de la lumière et 
sa fréquence) produites dans le milieu actif au détriment
des autres. La longueur du résonateur doit donc être 
, où n est un entier positif et , 
la longueur d'onde. La construction du résonateur est donc critique
pour les courtes longueurs d'onde du visible (entre 400 et 700 nm) puisqu'une
toute petite variation de sa longueur peut empêcher le laser de fonctionner.
En dernier lieu, la lumière émise par un laser peut l'être soit de manière continue, soit sous forme d'impulsions. Lorsque la source d'énergie excite en continu les particules du milieu laser, l'oscillateur produit de la lumière laser en continu. Après une rapide phase de mise en route, le rayon sortant garde une puissance constante. Si la source d'énergie envoie par intermittence une décharge d'énergie dans l'oscillateur, la lumière laser est produite de manière discontinue, par impulsions très brèves et très intenses. On dit que le laser est impulsionnel. C'est, par exemple, le cas avec le pompage optique où l'énergie est apportée par un flash lumineux comme celui d'un appareil photographique.
Les amplificateurs laser
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d'avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la lumière laser émise par l'oscillateur dans une série d'amplificateurs. L'amplificateur est constitué d'un milieu laser sans miroirs aux extrémités. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l'oscillateur. Les particules du milieu laser sont excitées par une source d'énergie et les photons qui vont traverser l'amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la lumière laser est amplifiée. Étant donné l'absence de miroirs, les photons ne passent qu'une fois dans le milieu laser. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l'augmentation de la puissance, il faudra augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs afin d'éviter que l'énergie grandissante de la lumière laser ne casse les composants optiques (milieux laser en verre...). Il sera ensuite focalisé par une lentille. La suite constituée de l'oscillateur, des amplificateurs et d'autres composants optiques (miroirs, lentilles...) constitue une chaîne laser.
