Fondamentaux pour aborder l`activité LASERS

Fondamentaux pour aborder l’activité
LASERS-Colorado
1) Qu’est-ce qu’un LASER ?
Un LASER est une source de lumière monochromatique, unidirectionnelle et cohérente, c’est à dire
"ordonnée" (toutes les ondes sont en phase), contrairement à la lumière du Soleil, polychromatique,
multidirectionnelle et incohérente.
Un laser est constitué d’une cavité avec un miroir à chaque extrémité et d’un milieu amplificateur, ou
milieu actif, placé entre les deux miroirs. Excité par une source d’énergie (pompage optique), le
milieu émet une lumière (photons) qui circule entre les miroirs et est amplifiée à chaque passage.
L’un des miroirs est choisi légèrement transparent pour permettre au faisceau LASER de sortir de la
cavité. La longueur d’onde du faisceau LASER est déterminée par la nature du milieu.
Le mot LASER signifie « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », ce qui se
traduit en français par « Amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ».
2) Quantification de l’énergie d’un atome et présentation des différents
processus d’interaction entre la lumière et un atome.
a) Quantification de l’énergie au sein de l’atome, absorption de photon, émission spontanée de
photon
A l’ouverture de l’animation « lasers », la lampe située dans la partie gauche de la fenêtre est réglée à
un niveau de contrôle (Lamp Control) assez faible et la couleur de la lumière monochromatique
émise par cette lampe est rouge : chaque photon émis par cette lampe a une énergie E = h × ν. La
fréquence ν d’un photon est liée à sa longueur d’onde λ par la relation c =
.
L’énergie E de chaque photon émis par la lampe peut être transférée ou non à l’atome cible présent
dans la cavité du laser.
D’après la légende, l’atome cible dans son niveau fondamental est représenté par une boule grise
notée (1) : il a alors une énergie E1. Le niveau d’énergie fondamental de l’atome est représenté dans
la partie en haut à droite de la fenêtre (atom’s electronic energy levels) : c’est le niveau le plus bas.
Lorsqu’un atome cible absorbe un photon, son énergie augmente de E (E est l’énergie apportée par le
photon) et passe du niveau E1 au niveau E2 = E1 + E .
Ce phénomène est nommé absorption. On peut alors écrire : E2 - E1 = E = h × ν.
L’atome ainsi excité est représenté dans la cavité du laser par une boule grise notée (2).
Cet état excité de l’atome ne dure pas : l’atome émet rapidement un photon d’énergie E = h × ν et
revient dans son état fondamental. Cette émission de photon par l’atome est nommée émission
spontanée.
Les niveaux d’énergie E1 et E2 d’un atome le caractérise : cela signifie que les valeurs de E1 et E2 ne
sont pas modifiables pour un atome cible donné.
On peut vérifier en modifiant la longueur d’onde des photons émis par la lampe que seuls les photons
d’énergie E = E2 - E1 peuvent être absorbés par un atome cible donné : un photon moins énergétique
(λ > λrouge) dans le domaine de l’Infrarouge tout comme un photon plus énergétique (λ < λrouge)
correspondant à une radiation orange, jaune, verte, bleue ou violette ne peut être absorbé par l’atome
cible. Ce phénomène caractérise la quantification de l’énergie au sein de l’atome.
b) Qu’est-ce que l’émission stimulée ?
Pour réaliser une émission stimulée, un photon doit arriver sur un atome cible excité (2). Avec le
simulateur, il suffit de retrouver le réglage initial de la longueur d’onde des photons permettant une
absorption par l’atome cible et d’augmenter ensuite le niveau de contrôle de la lampe. On observe,
lors d’une émission stimulée, qu’une paire de photons, chacun de même énergie E, est émise. Alors
qu’un photon incident d’énergie E est absorbé, deux photons identiques (chacun d’énergie E) sont
émis : c’est grâce à l’émission stimulée que l’amplification de la lumière est possible au sein de la
cavité.
Dans un LASER, on appelle milieu actif la cavité où se trouve l’atome cible. On dit que la lampe
réalise un pompage optique en amenant les atomes présents dans la cavité d’un niveau d’énergie E1
inférieur à un niveau d’énergie supérieur E2. En effet, pour réaliser des émissions stimulées dans un
laser, le nombre N2 d’atomes du milieu actif en état excité (2) doit être grand par rapport au nombre
N1 d’atomes dans l’état (1). On parle d’inversion de population car habituellement, c’est le niveau
d’énergie le plus bas qui est le plus peuplé.
Image extraite du cours du MIT : « LASER FUNDAMENTALS II » :
http://ocw.mit.edu/resources/res-6-005-understanding-lasers-andfiberoptics-spring-2008/laser-fundamentals-ii/
Si N1 > N2, l’absorption de photons est majoritaire et l’intensité de la
lumière recueillie est plus faible que celle de la lumière du pompage
optique (pas d’amplification).
Si N2 > N1, l’émission stimulée de photons est majoritaire et l’intensité
de la lumière recueillie est plus grande : elle est amplifiée.
c) D’autres possibilités dans le mode « One atom »
Quelques paramètres sont modifiables dans la fenêtre présentant les niveaux d’énergie de l’atome
(atom’s electronic energy levels) :





L’écart E = E2 - E1 entre les deux niveaux d’énergie est réglable. Cela correspondrait à un autre
type d’atome cible placé dans la cavité du laser. A chaque nouvelle valeur de E envisagée
correspond une seule valeur de longueur d’onde λ permettant l’absorption du photon par l’atome
cible.
On peut modifier la durée moyenne avant qu’un atome excité ne subisse une émission spontanée
(Lifetime). Il est alors intéressant d’étudier l’influence de ce dernier réglage sur la probabilité
d’émission spontanée et celle d’émission stimulée.
Sélectionner « Three energy levels » permet d’étudier le cas d’un atome comportant trois
niveaux d’énergie, ce qui correspond au cas du premier LASER, le LASER à rubis, mis au point
en 1960. Pour amplifier la lumière le laser ne peut fonctionner que dans le cas d’une inversion
de population. Ici, le pompage permet aux atomes du milieu actif d’accéder au niveau (3)
d’énergie E3 > E2, une transition rapide a ensuite lieu de l’état (3) vers l’état (2) et l’émission
stimulée a enfin lieu entre cet état (2) et le niveau (1) d’énergie E1. En ajustant les durées de vie
des niveaux (2) et (3), on peut réaliser l’inversion de population nécessaire à l’émission
stimulée. Cette inversion de population sera visible avec le simulateur en mode « Multiple
atomes ».
L’option « Enable mirrors » permet de placer des miroirs à chaque extrémité de la cavité du
laser. Les photons peuvent alors subir de nombreuses réflexions au sein de la cavité et rencontrer
plusieurs atomes excités : les émissions stimulées sont de plus en plus nombreuses et la lumière
de plus en plus amplifiée : c’est l’effet LASER à observer de préférence en mode « Multiple
Atoms ».
Le réglage « Mirror Reflectivity » 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.
3) Comment fabriquer un LASER ? Mode « Multiple Atoms »
Sélectionner le mode « Multiple Atoms » et « Three energy levels » pour étudier le cas d’une
population d’atomes comportant trois niveaux d’énergie. En ajustant les durées de vie des niveaux
(2) et (3), on peut réaliser l’inversion de population nécessaire à l’émission stimulée.
Sélectionner « Enable mirrors » pour placer les miroirs à chaque extrémité de la cavité du laser.
Ajuster le réglage « Mirror Reflectivity » pour régler la réflectivité du miroir de droite : la sortie des
photons du milieu actif permet la formation du faisceau LASER.