Feuille de route de l`application Lasers
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Feuille de route de l’application Lasers-colorado (document d’aide à disposition si besoin : Fondamentaux) 1- Transferts d’énergie Dans un Laser, coexistent les différents processus de gain et perte d’énergie pour les atomes du milieu actif ; on peut se référer aux prérequis de 1èreS sur la carte mentale. Dans la fenêtre « un atome » de la simulation, choisir deux niveaux d’énergie pour l’atome cible du milieu actif. Allumer la lampe, source de lumière monochromatique, en choisissant une faible intensité lumineuse de couleur rouge. Des photons sont émis. Comment varie l’énergie de l’atome cible ? Quels phénomènes lui permettent de gagner de l’énergie ou d’en perdre ? 2- La bonne longueur d’onde Le photon, absorbé ou émis par l’atome du milieu actif, a une énergie de valeur particulière qui dépend des niveaux d’énergie de l’atome et cette énergie est liée à la longueur d’onde de la lumière associée. Quelle relation existe-t-il entre la longueur d’onde du photon émis ou absorbé et l’écart E = E2 – E1 entre les deux niveaux d’énergie de l’atome cible ? Modifier la longueur d’onde de la lumière de la lampe, en la diminuant. Regarder ce que cela change. Configurer les niveaux d’énergie de l’atome pour qu’il y ait à nouveau absorption des photons issus de la lampe. Faut-il rapprocher les niveaux d’énergie E1 et E2 ou bien les écarter ? Attention, les niveaux d’énergie sont fixés pour un atome cible donné. Modifier ces niveaux revient à changer la nature du milieu actif. De quoi dépend la couleur de la lumière émise par le LASER ? 3- Deux types d’émission Où l’on découvre l’émission stimulée…qui est déterminante dans le fonctionnement du Laser… (le S de l’acronyme LASER) En gardant la configuration des niveaux d’énergie précédente, augmenter progressivement l’intensité lumineuse de la lampe pour observer les deux types d’émission de photon : émission spontanée et émission stimulée. Voir si besoin : Fondamentaux 4- Privilégier l’émission stimulée Lors d’une émission stimulée, le photon émis et le photon incident ont même énergie donc même fréquence et même direction. L’onde lumineuse est ainsi amplifiée. On cherche donc à privilégier l’émission stimulée par rapport à l’émission spontanée. Choisir une intensité lumineuse moyenne et modifier la durée de vie du niveau d’énergie supérieur 2 de l’atome cible. Relever quelle est l’influence de ce paramètre sur le taux d’émissions stimulées par rapport aux émissions spontanées. 5- L’atome à 3 niveaux d’énergie En pratique, l’atome du milieu actif doit effectuer des transitions entre 3 ou 4 niveaux d’énergie, afin de réaliser l’amplification de l’onde lumineuse. Dans la fenêtre « un atome » de la simulation, choisir maintenant trois niveaux d’énergie pour l’atome du milieu actif, ce qui correspond au cas du premier LASER de l’histoire, le laser à rubis (1960). Une lampe supplémentaire permet de réaliser le pompage en excitant les atomes du milieu actif vers un niveau d’énergie E3 plus élevée que l’énergie E2 et l’émission stimulée a lieu ensuite entre ce niveau d’énergie E2 et le niveau d’énergie E1. Choisir une durée de vie moyenne pour les deux niveaux d’énergie excités de l’atome cible. Expliquer pourquoi la lumière émise par cette lampe n’est pas rouge mais bleue. Observer les différents types de photons. 6- Des miroirs qui réfléchissent… La cavité optique d’un LASER est limitée par 2 miroirs, dont l’un est totalement réfléchissant. Activer les miroirs. Le réglage « Réflectivité » permet de régler la réflectivité du miroir de droite. Si cette réflectivité vaut 100%, tous les photons du milieu actif qui frappent ce miroir sont réfléchis. Ce pourcentage peut être réduit et permettre alors la sortie des photons du milieu actif formant ainsi le faisceau laser issu de la source laser. Noter le rôle des miroirs. Rq : l’effet laser sera observé à la question 8. Avec un seul atome il faut attendre un tps très long (3min) pour avoir l’effet laser alors qu’en mode plusieurs atomes, c’est immédiat. C’est plus intéressant de terminer l’étude par l’effet laser… 7- A l’échelle d’une population d’atomes… En réalité il n’y a pas qu’un atome dans le milieu actif mais un très grand nombre. Ouvrir la fenêtre « plusieurs atomes » et choisir 3 niveaux d’énergie. Le milieu actif comporte une population d’atomes excités à l’aide des lampes source émettant une lumière de longueur d’onde et d’intensité réglables. Pour obtenir l’effet LASER, il faut se placer dans les conditions d’une inversion de population, c’est à dire que le premier niveau d’énergie excité doit être plus peuplé que le niveau de plus basse énergie. Alors l’émission stimulée sera prédominante et la lumière sera amplifiée lors de la traversée du milieu actif car un photon incident a plus de chances de créer une émission stimulée que d’être absorbé par le milieu actif. Vérifier que la lumière incidente permet de réaliser le pompage optique du LASER. Comment faut-il régler ensuite les durées de vie des niveaux d’énergie 2 et 3 pour créer l’inversion de population ? Voir si besoin : Fondamentaux 8- A vous de jouer ! Les conditions de bon fonctionnement d’une source laser dépendent de la couleur de la lumière excitatrice, de la durée de vie des atomes dans les différents niveaux d’énergie, de la réflectivité du miroir de sortie… Et maintenant, rajouter les miroirs et observer l’onde lumineuse s’amplifier. Ajuster la réflectivité du miroir de sortie pour créer un faisceau laser. En pratique l’amplification lumineuse réalisée par le milieu actif doit compenser les pertes liées à la sortie du faisceau de la cavité optique. Comment éviter l’explosion du LASER ? 9- Pour aller plus loin Découvrir la représentation d’un LASER Hélium-Néon actuel et noter comment les atomes sont excités.
