Le régime déclenché

Pour stocker beaucoup d'atomes dans le niveau du haut, il faut dans un premier temps limiter les débits vers le niveau du bas. Il faut donc empêcher l'émission stimulée d'être prédominante : pour cela, on empêche la lumière de faire des allers et retours dans la cavité laser au moyen d'un obturateur (remarque : cet obturateur est rarement mécanique, il s'agit plutôt d'un modulateur de lumière capable de faire de fortes amplitudes entre l'état bloqué et l'état passant). Dans ce cas, pour une transition radiative, la seule vidange vers le niveau du bas est due à l'émission spontanée. Lorsque le pompage apporte nettement plus d'atomes par seconde qu'il n'en descend par émission spontanée, la population du niveau du haut peut devenir très importante (figure 17).

Après avoir suffisamment attendu, on réduit brutalement les pertes de la cavité de telle sorte que l'oscillation devienne possible. Comme la population du niveau du haut est très élevée, l'émission stimulée est très probable et le laser démarre brutalement. Le débit par émission stimulée devient très important devant les autres débits (remplissage par le pompage et vidange par émission spontanée) : tous les atomes stockés en haut redescendent brutalement en émettant des photons stimulés (avec un démarrage initial sur l'émission spontanée qui se trouve piégée dans la cavité). La cavité laser se remplit donc de photons stimulés en même temps que le niveau du haut se vide (figure 18).

Il arrive un moment où le niveau du haut est complètement vide. Il ne peut plus y avoir d'émission stimulée et la cavité va se vider elle aussi car le miroir de sortie crée des pertes (en général, la cavité se vide en quelques allers et retours seulement) (figure 19).

L'ensemble du processus donne naissance à une variation brutale du nombre de photons dans la cavité (par une forte amplification par émission stimulée au départ puis par vidange complète de la cavité à la fin). Ceci se traduit par l'émission d'une impulsion lumineuse, via le miroir de sortie.

Il faut en général plusieurs allers et retours pour dépeupler complètement le niveau du haut et plusieurs allers et retours pour vider la cavité. La durée de l'impulsion est donc supérieure au temps d'un aller et retour dans la cavité. Pour des cavités de longueur inférieure au mètre (temps d'aller et retour inférieur à 6 ns), il est possible de générer des impulsions dans le domaine nanoseconde. Leur énergie peut aller jusqu'au millijoule. La puissance crête (énergie divisée par la durée) est alors très grande, de l'ordre du mégawatt, voire plus.

Il faut noter que dans ce régime, le laser n'atteint pas un régime stationnaire puisqu'il s'arrête de fonctionner au bout de quelques allers et retours de la lumière dans la cavité.