En 1917, Albert Einstein étudiait à la fois l'émission stimulée et le rayonnement du corps noir.
2.2. Expériences de Townes et SchwalowEn 1954, Townes élabore le premier MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) à gaz NH3 (molécule d'ammoniac) avec une inversion de population par tri-moléculaire.
En 1958, Townes et Schwalow placent les molécules d'ammoniac précédentes dans une cavité résonnante composée d'un interféromètre de Fabry-Perot. Des oscillations apparaissent alors selon un axe particulier grâce aux deux miroirs assurant une boucle de contre-réaction.
2.3. Premiers LASERs à gazEn 1960, Hughes et Maiman font osciller des ions Cr3+ dans un laser à rubis grâce à une inversion de population par pompage optique.
La même année, Javan élabore le LASER à He-Ar (Hélium et Argon) avec une inversion de population par pompage électrique.
En 1962, White et Ridgen élaborent le LASER à He-Ne (Hélium et Néon) émettant à la longueur d'onde de 6328 Angströms.
2.4. Premier LASER à semi-conducteurEn 1962, les LASERs à semi-conducteur émettant dans le domaine de l' infrarouge apparaissent.
2.5. Que s'est-il passé entre 1917 et 1958 ?Pourquoi a-t-il fallu attendre plus de 40 ans entre les travaux d'Einstein sur l'émission stimulée (1917) et le premier MASER de Townes (1958) ? Cette question possède deux réponses d'ordre technique et théorique.
En effet, plusieurs limitations techniques existaient en 1917 : · Le rapport de l'émission spontanée sur l'émission stimulée (rapport A/B) établi par Einstein en 1917 est inversement proportionnel à la puissance cube de la longueur d'onde. Par conséquent, pour les faibles longueurs d'onde disponibles à cette époque, l'émission stimulée était délicate à obtenir. · Les miroirs dont le pouvoir réflecteur en intensité dépassait les 90 % (R > 0.9) n'existaient pas, d'où l'impossibilité de construire des cavités résonnantes efficaces. Actuellement, l'utilisation de couches multi-diélectriques permettent d'atteindre R = 0.99999…
La principale limitation théorique à l'élaboration d'un LASER en 1917, provenait de la statistique de Boltzmann et en particulier à la distribution de Boltzmann dans le cas d'un système à deux niveaux d'énergie. En effet, dans le cas d'un atome possédant deux niveaux d'énergie E1 (à l'état fondamental) et E2 (à l'état excité), le rapport des populations des deux niveaux est le suivant :
N2 / N1 = exp ( - Beta * Epsilon)
Equation 1 Distribution de Boltzmannn (système à deux niveaux d'énergie)
Avec,
· N2, le nombre d'atomes dans l'état excité d'énergie E2
· N1, le nombre d'atomes dans l'état fondamental d'énergie E1
· Beta = 1 / (k * T), relation de physique statistique où k est la constante de Boltzmannn (k = 1.38*10-23 Joules/Kelvin) et T la température du système (en Kelvin)
· Epsilon = E2 - E1, la différence d'énergie entre les deux niveaux
Pour qu'il y ait inversion de population, c'est-à-dire pour que N2 > N1, alors il faut que la température T soit négative (car k et Epsilon sont positifs), ce qui mène donc à une aberration ! De plus, la distribution de Boltzmannn ne tient pas compte des interactions entre molécules.
Pourtant, en 1920, l'expérience de Tolman et Ladenbourg était proche de l'élaboration des premiers LASERs. Ensuite, dans les années 20, les premières enseignes à tube à Néon étaient proches des LASERs à infrarouge car l'effet LASER était observé lorsque les techniciens installant les enseignes plaçaient leurs mains de part et d'autre du tube à néon (formant alors une cavité résonnante). Enfin, l'effet MASER existait déjà dans la nature (et a été découvert dans les années 70).
Mais il a fallut attendre tout de même 1958…