Chap. 4 (suite) : Le laser.
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Chap. 4 (suite) : Le laser. SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS 1. Absorption et émission quantiques 1.1. Absorption et émission spontanée 0 E4 E3 Etat ionisé Etats excités E2 E1 Etat fondamental Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome Doc. 1 : Les niveaux d’énergie d’un atome sont … . quantifiés Les échanges d’énergie entre un atome et une onde électromagnétique de fréquence n sont donc eux aussi …quantifiés : ils se font par paquets d’énergie appelés photons tel que E, l’énergie transportée par ce photon, … . E = h.n E En h.n E1 Doc. 2 : absorption d’un photon Spectre d'absorption de l’hydrogène dans le visible. Absorption : cela correspond … Quelle est la fréquence et la longueur d’onde de l’onde lumineuse absorbée par l’atome d’hydrogène lors de la transition du niveau d’énergie fondamental au niveau 2 ? E (eV) n 3 –3,4 Photon d'énergie E =h.n. – 13,6 2 1 Absorption d’un photon : transition de niveau d'énergie. Niveaux d'énergie de l'atome d’hydrogène. On a : E2 – E1 = h.n Soit n = (E2 – E1)/h A.N. : n = (-3,4 – (-13,6) x 1,6.10-19/6,626.10-34 = 2,46.1015 Hz Comme l = c/n A.N. : l = 3,0.108/2,46.1015 = 1,21.10-7 m dans le vide soit 121 nm (U.V). E En h.n E1 Doc. 3 : émission spontanée d’un photon Emission spontanée : cela correspond … Pour l’hydrogène, dans le visible, les raies d’émission correspondent aux transitions des niveaux d’énergie 3, 4, 5 au niveau 2 Valeur E en eV n : niveau d’énergie – 0,54 – 0,85 – 1,51 5 4 3 – 3,4 2 – 13,6 1 Niveaux des états excités Remarque : l’émission spontanée à lieu généralement … Parfois, elle a lieu … Les photons sont émis … 1.2. Emission stimulée E h.n En E h.n h.n E1 Doc. 4 : émission stimulée Un photon peut interagir avec un atome, même si … Emission stimulée : Dans une population d’atomes, il y a beaucoup plus d’atomes dans l’état fondamental que dans un état excité. L’émission stimulée est un phénomène très peu probable par rapport à l’émission spontanée. Si peu probable qu’elle n’a été observée qu’en 1928 alors qu’Albert Einstein avait prévu son existence dès 1917. 2. Application au laser 2.1. Principe de fonctionnement du laser 2.1.1 Pompage optique Doc. 5 : pompage et inversion de population : Pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes, il faut les amener à un niveau excité E2 supérieur … à leur niveau fondamental E1 en leur fournissant de …l’énergie . de On effectue alors une inversion … population par un procédé appelé … . pompage Cette énergie peut être transmise par décharge électrique (pompage électrique) ou par un faisceau lumineux (pompage optique … ). On obtient alors un milieu… actif . Pompage Milieu actif Après pompage Milieu actif L’onde incidente est donc … par amplifiée émission stimulée. Après pompage Après émission stimulée 2.1.2. La cavité résonante Miroir concave Pompage Miroir Semitransparent Faisceau laser Cavité résonante de longueur L Doc. 6 : cavité résonante du laser miroirs Le milieu actif est placé dans une cavité entre deux … parallèles disposés face à face. Les photons font donc plusieurs allers-retours ( … optique) et interférent entre eux. Ces interférences sont oscillateur constructives … si la longueur L de la cavité vérifie la relation : 2 × L = k × l (avec k *). L’un des deux miroirs étant semi-transparent, une partie du rayonnement s’échappe de la cavité et forme le rayon laser. … L’énergie fournie par le pompage compense l’énergie perdue par l’émission laser. 2.2. Propriétés et applications de la lumière laser Le faisceau émis est : - … - … Certains lasers émettent … Ex : Un laser hélium-Néon délivre un faisceau de puissance P = 2,0 mW et de rayon r = 0,40 mm. Déterminer la puissance surfacique I du faisceau et la comparer à celle de la lumière solaire (IS = 1 kW.m–2)
