ECOLE
CENTRALE PARIS
Physique Tronc Commun
Illustration de Laser
Elève: Caleb HO et Shalom WANGRANGSHIMAKUL, P2007
Encadrant : Hichem DAMMAK
Absorption, Emission : le principe
du fonctionnement
d'un LASER
Introduction
LASER est l'acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. La théorie du laser a été conçue par Einstein en 1917. C'est une théorie assez simple, mais ce n'est qu'en 1954 qu'en trouve le premier Maser qui a entraîné le développement du laser. Et c'est seulement en 1960 qu'on trouve le premier laser qui utilise le rubis fait par Maiman.
La première partie de cette page présente la mise en pratique après un bref rappel de la théorie et des contraintes qui empêchent la réalisation du laser. La deuxième partie présente l'exemple du laser à CO2.
Le Principe du Fonctionnement
2 Types d'émission : Spontanée et Stimulée
Pour commencer notre étude du laser, nous abordons premièrement les principes de l'émission spontanée et de l'émission stimulée.
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Si on considère un atome possédant
2 niveaux d'énergie E2 et E1
où E2 > E1.
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Ce qui nous concerne plus pour le laser est l'émission stimulée. Lorsqu'un photon atteint un atome et qu'il passe d'un état de niveau d'énergie E2 à un état du niveau E1 alors celui-ci émet 2 photons en phase - on parle d'émission synchrone - et de pulsation identique à celle de l'émission spontanée. C'est ce dernier phénomène qui permet l'amplification de la lumière qui conduit à l'effet laser. Ce phénomène est montré plus clairement ci-dessous. |
Fig.1 et 2 : Emission Spontanée et Stimulée. Web Science Resources, Laser and Optics
Généralement, on commence avec l'état (a) de la photo ci-dessous quand on démarre un appareil de laser. Chaque fois que la lumière passe dans la cavité, elle stimule une émission. On voit qu'il y a de plus en plus de photons synchrones à l'état (b) jusqu'à ce qu'on arrive à l'état (c).
Fig. 3 : Amplification Laser. Kottan Labs
L'inversion de population et niveaux des énergies.
Un deuxième critère pour fabriquer des lasers est d'inversion de population. Considérons un milieu de volume V dans lequel est présent un nombre N d'atomes. On note N1 respectivement N2 le nombre d'atomes qui sont dans un état dont le niveau d'énergie vaut E1 respectivement E2. On considère qu'une onde de pulsation w traverse ce milieu suivant la direction z, on note I son intensité. Un bilan d'énergie dans la tranche de volume contenue entre les abscisses z et z+dz donne :
avec
la puissance absorbée par unité de volume.
On montre que cette puissance s'exprime de la manière suivante :
oùest la section efficace d'absorption et d'émission stimulée.
Donc I se met sous la forme
, il faut avoir N2 > N1 pour obtenir un milieu amplificateur, condition qui s'oppose à la loi d'équilibre thermodynamique de Boltzmann :
. On voit alors apparaître la nécessité d'une inversion de population qui est impossible dans un système à deux niveaux.
Les lasers sont donc des systèmes à au moins trois niveaux d'énergie.
Fig. 4 : Niveaux d'énergie
La particularité des systèmes à 4 niveaux d'énergie est que l'inversion de population entre les niveaux E3 d'énergie et E2 est automatiquement réalisée même sans pompage si on néglige les pertes.
Maintenant, nous allons étudier 3 exemples de lasers qui utilisent les principes que nous venons de voir. Ils différent a l'égard de leur milieu excité et des niveaux d'énergie.
Laser CO2
On commence maintenant avec l'exemple de CO2 qui a 3 modes de vibration. Les niveaux d'énergie de CO2 correspondent aux modes de vibration de la molécule.
Mélange du Gaz
Les proportions spécifiques changent selon le laser particulier. Mais généralement, le gaz remplissant dans le tube de décharge se compose principalement de:
- CO2 : 10-20 %
- N2 : 10-20%
- H2 (et/ou Xe) : quelque pourcentage
- He : le reste
Modes de vibration du CO2
Il y a 3 modes de vibration pour une molécule de CO2. Un mode d'extension asymétrique, un mode de flexion et un mode d'extension symétrique . Une molécule en mode d'extension asymétrique du premier niveau d'énergie est appelée (001), une molécule en mode de flexion du deuxième niveau de l'énergie est appelée (020), et une molécule en mode d'extension symétrique du premier niveau de l'énergie est appelée (100).
mode d'extension asymétrique (001)
mode de flexion (020)
mode d'extension symétrique (100)
Fig. 5 Modes de vibration du CO2.
Principe du fonctionnement
Tout d'abord, la vibration de N2 est excitée par l'impact d'électron. Cette énergie est transférée au mode presque résonnant du CO2. Ceci cause une inversion de population entre le niveau (001) et les niveaux (100) et (020). Ceci émet alors un laser de 10.4µm entre niveau (001) et niveau (100), et un laser de 9.4µm entre niveau (001) et niveau (020). La présence de l'hélium dans le gaz maintient la décharge de plasma, et baisser le population du niveau d'énergie le plus bas.
Fig.6 CO2. 3 Niveaux d'energie
Bibliographie
