Quel est le principe de fonctionnement des lasers ? On a vu que l’émission stimulée d’un atome ou d’une molécule produit un nouveau photon qui a exactement les mêmes fréquence, phase et direction que le photon incident ; dans un laser, cela se fait à grande échelle, sur un très grand nombre d’atomes ou molécules identiques. C’est pourquoi un laser a la particularité d’émettre une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. Il s’agit d’une lumière dite cohérente, contrairement par exemple à celle émise par une ampoule à filament, qui émet de nombreuses ondes de fréquences et phases diverses et ce dans toutes les directions.

Mais pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes ou molécules, il faut fournir de l’énergie au milieu matériel afin que ses atomes ou molécules soient pour la plupart dans un niveau d’énergie excité E2, et non dans leur niveau fondamental E1. C’est ce qu’on appelle effectuer une inversion de population, car à l’équilibre thermodynamique la majorité des atomes se trouvent au contraire dans l’état d’énergie le plus bas (plus précisément, le rapport des populations des niveaux E2 et E1 vaut, à l’équilibre thermodynamique à la température absolue T :
N2/N1 = exp [ – (E2 – E1)/kT ] où k est la constante de Boltzmann).

Le mécanisme précis aboutissant à l’inversion de population fait intervenir un ou plusieurs niveaux d’énergie intermédiaires entre E1 et E2 (ce n’est pas possible s’il n’y a que ces deux niveaux). De plus, le niveau excité E2 doit être suffisamment stable pour que l’émission spontanée ne se produise pas trop rapidement ; autrement, celle-ci devancerait l’émission stimulée et l’on obtiendrait pas une onde lumineuse cohérente. 5.2. L’effet laser

L’inversion de population étant réalisée (par excitation lumineuse — on parle dans ce cas de « pompage optique » — ou électrique par exemple), regardons ce qui se passe lorsque l’un des atomes excités