5.Lasers
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Émission stimulée - LASER Light Amplification by Stimulated Emission oflasers Radiation Émission stimulée Tous les photons émis sont indentiques entre eux même direction faisceau très peu divergent même longueur d’onde lumière monochromatique même phase lumière cohérente Coefficients d’Einstein 1917 : Albert Einstein introduit le concept d’émission stimulée pour expliquer le rayonnement du corps noir 3 processus inelastiques Absorption B.rn.ni Émission spontanée A.nj Émission stimulée B.rn.nj absorption émission spontanée émission stimulée nj nj nj ni ni ni B.rn.ni rn = densité de rayonnement A.nj B.rn.nj à l’équilibre absorption = émission stimulée + émission spontanée j Abs Bij.rn.ni = Bji.rn.nj + Aji.nj nj Est i Populations selon Boltzman Esp ni ni e-Ei/kT nj e-Ej/kT Bij.rn. e-Ei/kT = Bji.rn. e-Ej/kT + Aji e-Ej/kT j rn(Bij.e-Ei/kT - Bji.e-Ej/kT) = Aji.e-Ej/kT rn = Aji.e-Ej/kT (Bij.e-Ei/kT - Bji.e-Ej/kT) rn = Aij Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji densité de rayonnement rn = rn = Aij Ej hn Ej - Ei = hn Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji Ei Aij Bij.exp(hn/kT) - Bji rn = Identification avec le rayonnement du corps noir rn = Aij = Bij.exp(hn/kT) - Bji Bij = Bji = B et 8ph l3 [exp(hn/kT) - 1] 8ph l3 [exp(hn/kT) - 1] B= l3 8ph A Conséquences B= l3 8ph A Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj j Abs Émission spontanée A.nj Fe Est Esp i émission spontanée prépondérante à courtes longueurs d’onde désintégration nucléaire nj Fe + g ni A >> B (effet Mössbauer) émission stimulée prépondérante à grandes longueurs d’onde B >> A j RMN saturation quand nj = ni relaxation non radiative: T1 et T2 Abs i nj Est ni Inversion de population pour que l’émission stimulée devienne prépondérante Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj Est Abs à priori nj ≤ ni Est ≤ Abs Inversion de population par pompage optique nj > ni système à 3 niveaux Alfred Kastler (1958) transfert d’énergie pompage optique nj émission stimulée ni 1. Absorption d’un photon 2. Relaxation non radiative 3. Émission spontanée 4. Émission stimulée 1 photon incident 2 photons émis cascade processus de retour (miroir) pour amplifier le signal Oscillateur LASER Interféromètre de Pérot-Fabry Charles Fabry 1867-1945 Alfred Pérot 1863-1925 excitation lumineuse faisceau laser L amplification des ondes telles que L = nl/2 Laser à rubis Physical review, 112 (19 58) 1940 Charles Townes et Arthur Shalow décrivent la théorie du laser à rubis Charles H. Townes (Bell Labs - 1958) Arthur L. Schawlow Ted Maiman réalise le 1er laser à rubis (Hughes research Labs. 1960) Le premier laser de T.H. Maiman lampe au krypton pompage optique rubis L’ion Cr3+ Configuration 3d3 ion libre +2 +1 0 4F -1 champ octaédrique -2 4A eg t2g 2g Rubis Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) 4T (P) 1g 4T (F) 1g 4T (F) 2g 37.000 cm-1 4A 2g 25.000 cm-1 4A 2g 18.000 cm-1 4A 2g B = 695 cm-1 D = 17.000 cm1 D/B ≈ 25 Cr3+ 3d3 rouge e = 14 bleu e = 15 Rubis Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) 18.000 556 nm = vert-jaune 25.000 407 nm = violet Rubis rouge avec une légère teinte violette cm-1 Terme fondamental hn = f(D) Termes excités d3 d3 configuration terme 4A 2g (t2g)3 configuration (t2g)2.(eg)1 termes 4T 1g - 4T2g l’absorption correspond à une transition électronique t2g eg L’énergie de ces 2 familles d’orbitales varie de façon différente avec D pente importante bandes larges Rubis D = 2,23 eV D/B ≈ 25 Émeraude D = 2,05 eV D/B ≈ 20 déplacement vers les grandes l énergies plus faibles émeraude Émeraude vert Sensibilité maximale de l’œil dans le vert D = 2,05 eV Rubis D = 2,23 eV rouge vert bleu Alexandrite Cr3+/ BeAl2O4 D = 2,17 eV transmission rouge + vert jaune bleu La couleur dépend de l’éclairage Verte à la lumière du jour Rouge sous une lampe à incandescence Luminescence du rubis excitation 4A 2 4T 2 4T 1 relaxation non radiative 2T 1 et 2E émission spontanée 2T 1 et 2E vers 4A2 Luminescence du rubis excitation 4A 2 4T 2 4T 1 relaxation non radiative 2T 1 et 2E émission spontanée 2T 1 et 2E vers 4A2 Luminescence rouge hn = 2T 1 2E 14.432 cm-1 14.403 cm-1 l = 694 nm 4A 2 Transitions au sein de la configuration t2g3 E varie de la même façon avec D E 4T 2 2T 1 Raie fine 2E Même luminescence rouge pour l’émeraude 4A 2 Transitions interdites de spin phosphorescence inversion de population D émission absorption bandes larges raie fine Laser rubis absorption forte (bandes larges) émission monochromatique (raie fine) Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2 bande large laser accordable (710 à 820 nm) Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2 bande large laser accordable (710 à 820 nm) Lasers à 4 niveaux - YAG : Nd3+ grenat d’yttrium et d’aluminium dopé avec des ions Nd3+ Guesic (1964) Y3Al5O12 E1 E2 E3 E0 le niveau émetteur E3 n’est pas peuplé thermiquement (E >> kT) Laser YAG: Nd3+ Configuration 4f 3 3 2 S = 3/2 L=6 Terme fondamental 1 0 -1 -2 -3 4I Couplage spin-orbite : 4IJ 4I 15/2 L-S ≤ J ≤ L+S 4I 13/2 9/2 ≤ J ≤ 15/2 État fondamental 4I 11/2 4I 9/2 4I 9/2 Émission à partir du niveau 4F3/2 4F 3/2 4I 15/2 4I 13/2 4F 4I 11/2 4F 4I 9/2 4F 3/2 3/2 3/2 1.317 nm 1.064 nm 946 nm 4I 13/2 4I 11/2 4I 9/2 laser rouge doublage vert : 532 nm Laser Titane-Saphir - Al2O3 : Ti3+ eg ( ≈ 1990) Configuration de Ti3+ = 3d1 transition t2g1 e g1 hn = D ≈ 20.000 cm-1 Élimination de toute trace de Ti4+ qui donnerait une couleur bleue intense Remplacement des lasers à colorants dans l’infra-rouge t2g Système à 4 niveaux 800 nm 1. excitation optique (400 à 650 nm) 2. relaxation non radiative 3. émission laser entre niveaux vibroniques (660 à 1180 nm) 4. relaxation non radiative Lasers infra-rouge MgF2 : Co2+ accordable de 1500 nm à 2500 nm 1954 : premier Maser à NH3 Inversion de la molécule NH3 H (effet parapluie) H N H H N H Charles H. Townes H Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Means of Acquiring Support for Expensive Research 1964 : Prix Nobel de physique à Townes, Basov et Prokhorov Maser à ammoniac Maiman - 1960 Lasers à colorants Luminophores organiques Laser à CO2 Forte puissance ≈ 2,5 kW Gamme de travail : 9,4 à 10,4 mm Gaz : He, N2, CO2 découpe métaux chirurgie
