Introduction à la physique du laser
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Introduction à la physique du laser PC Lycée Dupuy de Lôme E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 1 / 15 1 Interaction photon-matière Niveaux d’énergie des atomes Faisceau lumineux Passages entre deux niveaux d’énergie Émission spontanée Absorption Émission stimulée 2 3 Pompage Inversion de population Pompage L’oscillateur en électronique Système bouclé Oscillateur à pont de Wien Système bouclé Condition d’oscillation Cavité optique Principe Conditions d’oscillation Limitation des modes E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 2 / 15 b b b b b b b Interaction photon-matière b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb E E2 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b E E2 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bbb b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b Niveaux d’énergie des atomes b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b h.ν0 E1 E1 b b Population N1 Population N2 Population Nombre de particules par unité de volume d’un niveau d’énergie donné. Relation d’Einstein E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) E2 − E1 = h.ν0 Physique des ondes 3 / 15 Interaction photon-matière Faisceau lumineux Flux associé au faisceau laser On note ϕp le flux surfacique de photons associés au faisceau laser Densité volumique d’énergie On admet que l’énergie se propage à la vitesse ve = c de la lumière dans le vide. On note uem la densité volumique d’énergie associée au faisceau laser E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) uem = ϕp .h.ν c Physique des ondes 4 / 15 Interaction photon-matière Passages entre deux niveaux d’énergie Émission spontanée Émission spontanée Un atome excité au niveau E2 possède une durée de vie τ après laquelle il revient spontanément au niveau d’énergie E1 en libérant un photon d’énergie (E2 − E1 ) polarisation, direction et phase du photon sont aléatoires E E2 E E2 Émission spontanée E1 E1 Coefficient d’Einstein pour l’émission spontanée On définit le coefficient A21 tel que dN2sp = −A21 .N2 .dt E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) A21 = Physique des ondes 1 τ τ ≡ 1 ns 5 / 15 Interaction photon-matière Passages entre deux niveaux d’énergie Absorption Absorption Un photon d’énergie h.ν > (E2 − E1 ) associé à une onde lumineuse cède de l’énergie à un atome, passant du niveau E1 au niveau d’énergie E E2 Absorption E1 E E2 E1 Coefficient d’Einstein pour l’absorption On définit le coefficient B12 tel que E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) dN1ab = −B12 .ϕp .N1 .dt Physique des ondes 6 / 15 Interaction photon-matière Passages entre deux niveaux d’énergie Émission stimulée Émission stimulée Un photon de fréquence ν0 qui interagit avec un atome excité au niveau E2 entraine la désexcitation de l’atome au niveau E1 avec émission d’un photon de caractéristiques équivalentes au photon incident Les photons incident et émis sont indiscernables E E2 Émission stimulée E1 E E2 E1 Coefficient d’Einstein pour l’émission stimulée On définit le coefficient B21 tel que dN2st = −B21 .ϕp .N2 .dt E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes B21 = B12 7 / 15 Pompage Inversion de population Condition d’amplification Afin que le milieu soit amplificateur, en l’absence de pertes, il est nécessaire que N2 > N1 Population à l’équilibre thermique Les populations sont alors liées par le facteur de Boltzmann : E −E N2 − 2 1 = e kb .T N1 Inversion de population L’amplification de l’intensité du faisceau lumineux nécessite une inversion de population par rapport à l’état d’équilibre thermique du matériau. E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 8 / 15 Pompage Pompage Milieu amplificateur Pompage Pompage Le pompage consiste à rendre le milieu actif par inversion de population grâce à une source d’énergie extérieure (électrique, optique)... E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 9 / 15 L’oscillateur en électronique Système bouclé H s β Oscillateur Un oscillateur est un système donnant naissance à un signal en sortie sans signal appliqué en entrée. Il est constitué D’une chaine directe d’amplification H D’une chaine de retour constitué d’un filtre sélectif β Condition d’oscillation: H.β = 1 E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 10 / 15 L’oscillateur en électronique Oscillateur à pont de Wien Système bouclé R2 − R1 ⊳∝ S + C H =1+ R2 R1 R E C T= R E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 1/3 1 + j. 31 . ( ff0 − ff0 ) 11 / 15 L’oscillateur en électronique Oscillateur à pont de Wien Condition d’oscillation RRR RRR f = f0 H.β = 1 Ð→ RRRR RRR 1 + R2 = 3 RRR R1 R2 > 2.R1 : s(t) t Saturation Phénomène non linéaire La stabilisation de l’amplitude des oscillations est due à des phénomènes non linéaires E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 12 / 15 L’oscillateur en électronique Cavité optique Principe Le gain en puissance sera proportionnel à la longueur parcourue dans le milieu amplificateur On souhaite limiter la taille de ce milieu Principe de cavité On va chercher à faire passer plusieurs fois le faisceau au travers du même milieu amplificateur afin de limiter la taille du dispositif et limiter dans l’espace le dispositif de pompage. E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 13 / 15 L’oscillateur en électronique Cavité optique Ventre Conditions d’oscillation Mode propre n = 3 Métal parfait Métal parfait Noeud b b λ 2 Modes de la cavité Toute onde de longueur d’onde λ pourra exister dans la cavité optique si Le gain pour cette longueur d’onde compense les pertes E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) λp = 2.L p Physique des ondes 14 / 15 L’oscillateur en électronique Cavité optique Limitation des modes ∆fG f Limitation des modes Le nombre de modes constituant le faisceau laser dépendra de la bande passante de la courbe de gain ∆fG E. Ouvrard (PC Lycée Dupuy de Lôme) Physique des ondes 15 / 15
