La cavité a également un rôle de filtre sur le spectre émis par le laser. Une cavité linéaire est en fait un interféromètre de Fabry Perot. Seules des ondes de certaines fréquences peuvent s'y propager. Ces fréquences sont telles que où k est un entier , c la vitesse de la lumière dans le vide et L la longueur optique de la cavité (supposée ici linéaire). Pour des fréquences optiques, l'entier k est très grand et peut atteindre plusieurs dizaines de milliers pour une cavité de quelques centimètres. Les ondes qui se propagent dans la cavité laser avec ces fréquences particulières sont appelées les modes longitudinaux de la cavité.

Dans le cas d'une cavité en anneau, les fréquences existant dans la cavité s'écrivent où L est la longueur optique d'un tour de cavité.

Ce filtre va s'appliquer au spectre de l'émission spontanée émise au démarrage du laser. Progressivement, les fréquences ne pouvant exister dans la cavité vont disparaître et seules vont rester des fréquences vérifiant l'équation ci dessus.

Le spectre émis par un oscillateur laser est donc composé d'un peigne de fréquences régulièrement espacées (C/2L) en général centré sur le spectre d'émission spontanée (figure 12).
Figure 12 : Allure du spectre émis par le laser par rapport au spectre d'émission spontanée de la transition laser.
Figure 12 : Allure du spectre émis par le laser par rapport au spectre d'émission spontanée de la transition laser. [zoom...]

On dit souvent qu'un laser est monochromatique en parlant du laser hélium néon par exemple. Il faut bien en comprendre la définition. Ce n'est pas une généralité et de façon extrêmement schématique, la largeur spectrale d'un laser est d'abord donnée par la largeur de l'émission spontanée : si la transition est étroite entre le niveau du haut et celui du bas, l'émission spontanée se fait sur quelques fractions de nanomètre (c'est le cas pour la raie rouge dans le néon, avec une largeur spectrale d'un millième de nanomètre, 1GHz en fréquence). Le spectre du laser hélium néon est donc “monochromatique” dans le sens d'une seule couleur visible à l'oeil parce que la raie est très fine. Mais il existe aussi des cas où la transition est très large (plusieurs centaines de nanomètres pour le saphir dopé au titane, par exemple avec un spectre d'émission spontanée qui s'étend de 700 nm à plus de 1000 nm) conduisant à un spectre émis par le laser qui n'est pas monochromatique.

Les propriétés spectrales des lasers deviennent intéressantes lorsqu'on est capable de sélectionner une seule fréquence parmi celles qui peuvent exister dans la cavité (moyennant des filtres insérés dans la cavité). On dit alors que le laser est monofréquence (on dit également monomode longitudinal). Dans ce cas la largeur spectrale peut être infiniment plus faible que le spectre d'émission spontanée. Par exemple, on arrive à concevoir des lasers hélium néon avec une largeur spectrale de 1Hz alors que la largeur de la raie est de l'ordre du GHz.
Conclusion

Pour résumer, la cavité est capable de filtrer l'émission spontanée sous la forme de fréquences discrètes (les modes longitudinaux de la cavité). Lorsqu'on arrive à sélectionner un seul mode longitudinal, le rayonnement laser a une qualité spectrale inégalable : un nombre considérable de photons est émis dans une bande spectrale très étroite qui peut être de l'ordre du Hz !