Les photons
La lumière est une onde électromagnétique, c'est-à-dire que la lumière est à la fois un champ électrique et magnétique oscillant à la fréquence µ et se propageant dans le vide à 3x108 m/s. L’énergie de la lumière est transmise par « quanta », c'est-à-dire par quantités bien définies. Ces quantas de lumière sont ce que l’on appelle aujourd’hui « photons ». Ils représentent l’aspect corpusculaire de la lumière. À une onde lumineuse de fréquence µ correspondent des photons : - d’énergie E=hv avec h = 6,626... x 10–34 joule.seconde (constante de Planck), v = fréquence de l’onde électromagnétique (supposée sinusoïdale). - de quantité de mouvement p= hv /c avec c = 3 x 108m/s (la vitesse de la lumière dans le vide).
Les atomes
Les atomes sont des "grains de matière" dont la taille est de l’ordre de l’angström, 10–10 mètre. Ils sont constitués d’un noyau composé de neutrons (charge neutre) et de protons (charges positive: q = 1,6 x 10–19 coulomb), autour duquel "gravitent" des électrons dont la charge est opposée à celle des protons (–q = –1,6 x 10–19 coulomb). Grâce aux théorèmes de la physique quantique, il est possible de déterminer l’énergie d'un atome. Elle est égale à la somme des énergies cinétiques des nucléons avec l’énergie potentielle électrostatique qui les lie entre eux. Selon un processus d’absorption et d’émission de photons que nous verrons plus tard, un atome peut changer de niveau d’énergie. Lorsqu'un atome est dans un niveau d’énergie supérieur à son niveau fondamental, on dit qu’il est excité. Les valeurs d'énergie des différents niveaux accessibles à un atome sont discrètes et dépendent de son nombre de protons et d'électrons. La mesure des énergies d’absorption ou d’émission d'une atome permet d'en déterminer le spectre d’énergie.
Absorption
Lorsqu’un atome est soumis à un rayonnement électromagnétique il peut absorber un photon. Ainsi l’atome initialement dans un niveau d’énergie fondamentale passe alors dans un niveau d’énergie supérieur. Comme la quantité de mouvement doit être conservée, l’atome absorbe la quantité de mouvement du photon ainsi l’atome recule. Cependant comme les valeurs d’énergie de l’atome sont discrètes, un atome donné ne peut absorber que des photons d’énergie proche de la variation d’énergie entre différents niveaux de l’atome.
Émission spontanée
L’émission spontanée est la réponse d’un atome excité suite à l’absorption d’un photon. En effet l’état excité d’un atome n’est pas un état stable, c’est pourquoi après un temps de l’ordre de 1 à 100 nanosecondes l’atome redescend dans son état fondamental. Ce passage d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie plus faible s’accompagne de l’émission d’un photon dans n’importe quelle direction et donc par conservation de la quantité de mouvement l’atome subit un recul dans le sens opposé à l’émission du photon.
Émission induite
La présence d’un rayonnement incident peut induire un atome excité à émettre un photon ayant les mêmes caractéristiques que les photons incidents. Cela à condition que l’énergie de ces photons soit « résonnante », c’est-à-dire que h soit égale à l’écart d’énergie entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. Dans cette émission induite, qui constitue la réciproque du processus d’absorption, le photon créé par l’atome en se désexcitant a même fréquence et même direction de propagation que le rayonnement incident. Ce processus, qui permet d’amplifier une onde lumineuse, est à la base du fonctionnement des lasers.
Le laser
Le premier laser a été réalisé en 1960 par l’Américain Theodore H. Maiman. Le mot « laser » est un acronyme de l’anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Le laser est donc un amplificateur reposant sur le principe de l’émission induite. Dans un laser ce principe a lieu à grande échelle sur un très grand nombre d’atomes 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 à celle émise par une ampoule à incandescence, qui émet de nombreuses ondes de fréquences et phases diverses et ce dans toutes les directions.
Les mécanismes physiques
Comme nous l’avons vu précédemment la lumière peut interagir avec la matière. En effet, lors de l’absorption d’un photon par un atome celui-ci subit un recul. Ce transfert de quantité de mouvement donne lieu à une force, qui, rapportée à l’unité d’aire, donne lieu à une pression. Donc une onde électromagnétique peut exercer une pression sur la matière, c’est ce que l’on appelle « la pression de radiation ».
Donc s’il est possible de faire subir un recul à un atome en l'excitant, on peut, en lui appliquant deux rayonnements électromagnétiques de directions opposées et de même fréquence (correspondant à un niveau excité de l'atome), immobiliser cet atome ou le "piéger". C’est ainsi que dans les années 1970, de nombreux chercheurs utilisèrent des lasers pour piéger des atomes. Le premier piège optique qui fut mis au point fut le refroidissement Doppler. C’est le principe le plus élémentaire.
Le fonctionnement
Trois phénomènes rendent possible la manipulation d’objet par la lumière : la réfraction, la pression de radiation et l’action du champ électrique du faisceau laser sur la cible. Cependant, on peut expliquer comment la lumière parvient à piéger ces objets uniquement grâce aux principes d’optiques géométriques.
La pression de radiation
Les photons exercent aussi une pression axiale sur la cible. En effet, la totalité des photons n'est pas réfractée, une partie est réfléchie. En se réfléchissant sur la paroi de la cible, ils vont lui céder une partie de leur quantité de mouvement.
( source : Wikipédia )
