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Jf L'homme a ce choix: laisser entrer la lumière ou garder les volets fermés. TS – V.2 Transfert quantique d'énergie.

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1 jf L'homme a ce choix: laisser entrer la lumière ou garder les volets fermés. TS – V.2 Transfert quantique d'énergie

2 Les principes de base du laser A. Le milieu amplificateur Quest quun laser? B. Le pompage C. La cavité Lémission stimulée Un peu dHistoire Résumé Le résonateur ouvert 1- La mécanique classique 2- Les limites de la mécanique classique 3- Les débuts de la mécanique quantique 4- La théorie corpusculaire de la lumière 5- Le modèle de Bohr 6- Le laser Propriétés de la lumière issue dun LASER Précautions à prendre

3 1- La mécanique classique La Théorie ondulatoire de la lumière René Descartes ( ) Étudie et propose les lois de la réfraction au 17 e siècle. Lois de Snell-Descartes de la réfraction: n 1 sin i 1 =n 2 sini 2 Isaac Newton ( ) Etudie la dispersion de la lumière blanche. Construit un télescope. Vu en 2 nde : Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

4 Christian Huygens ( ) Propose une théorie ondulatoire de la lumière n 1 /n 2 = v 2 /v 1 (principe de Huygens Fresnel) Augustin Fresnel ( ) Utilise aussi la théorie ondulatoire pour expliquer les interférences et la diffraction. Vu nouveau programme TS: Propriété des ondes Diffraction (ϴ = λ/a) et interférences lumineuses

5 La théorie électromagnétique de la lumière James Clerk Maxwell( ) Etablit la théorie des ondes électromagnétiques Vu en 2 nde : Ondes électromagnétiques :Nature et fréquence donde utilisée dans limagerie médicale. Vu en 1 ère : Domaine des ondes électromagnétiques (visibles, UV et IR) Vu au nouveau programme de TS: - Propriétés et caractéristiques des ondes - Spectroscopie

6 Physique statistique Ludwig Boltzmann ( ) Etudie la thermodynamique du rayonnement dun corps noir mais discrédité. Vu en 2 nde : Température de la surface détoiles. Vu en 1 ère S : Couleur des corps chauffés, loi de Wien sans voir la constante de Boltzmann k: λ M.T = Cte. REM:

7 Heinrich HERTZ ( ) Travaux sur les ondes électromagnétiques Expérience de Hertz (1887) Mise en évidence de leffet photoélectrique sans linterpréter réellement.

8 2- Les limites de la mécanique classique Impossibilité dutiliser la mécanique classique pour lexplication : du rayonnement du corps noir, de leffet photoélectrique et des spectres atomiques, rayonnement lors de désintégration radioactives. Cest donc dans ce cadre interactions matière/lumière que la physique quantique sest développée au début du XXème. La théorie quantique s'applique à l'infiniment petit. C'est une modélisation qui rend compte des phénomènes de l'infiniment petit.

9 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Il a découvert les rayons X Ce qui lui a valu de recevoir le premier Prix Nobel de Physique en 1901 Lexplication de lexistence de ces rayons sera vue plus tard.

10 La Théorie corpusculaire de la lumière Max Planck publie une autre théorie dans laquelle lénergie varie par sauts ou « quanta ». Le rayonnement du corps noir ** Vu en 1 ère S: Interaction lumière matière Quantification des niveaux dénergie (spectres d absorption et démission) ΔE = hν 3- Les débuts de la mécanique quantique Rappel : h = 6,63 x J.s Le Physicien allemand Max Planck ( ). Prix Nobel de Physique en 1918.

11 Le rayonnement du corps noir Planck obtint pour la première fois un bon accord théorie/expérience en supposant que l'énergie électromagnétique, au lieu d'être continue comme dans la théorie classique, ne peut prendre que des valeurs discrètes multiples de h.c / λ ou h. ν où c est la vitesse de la lumière dans le vide: c = m.s -1 h est la constante de Planck, vaut h = 6,625 × J.s Ce qui n'était alors qu'un « artifice de calcul » permet de trouver une formule qui correspond à l'expérience, la loi de Planck: Origine de la relation: E = h.c / λ = h. ν

12 Albert Einstein ( ) Hypothèse dEinstein : la quantification de la lumière (1905) Prix Nobel :1921 (et non pour la relativité) par contre avait du mal à accepter la théorie probabiliste de la mécanique quantique. Effet photoélectrique doc* Tube de Crookes docdoc Rappel : 1eV = 1,602 x J SUITE SUITE

13 Expérience du tube de Crookes Pression photonique La force exercée par les photons dune radiation lumineuse peut être calculée en considérant laspect corpusculaire des photons ayant une énergie E = h ν. Chaque photon qui heurte la pale cède deux fois sa quantité de mouvement. RETOUR

14 4- Leffet photoélectrique Origine de la connaissance de lexistence des photons Einstein a lié la fréquence seuil à partir de laquelle les e sont arrachés au fait que la lumière était constituée de certaines particules (aujourdhui appelées photons) ayant une énergie E=h ν Énergie d'extraction d'un électron d'un métal Pour extraire un électron libre d'un métal, il faut lui fournir une énergie minimale W 0 appelée travail d'extraction. Cette énergie peut être fournie par un photon d'énergie h.ν. Si h.ν est supérieur à W 0, le surplus d'énergie se retrouve sous forme d'énergie cinétique Ec m. Ec m = h.ν - W 0. Remarque : Tous les électrons ne sortent pas avec cette énergie Ec m, car certains perdent une partie de leur énergie par chocs avant de quitter le métal. Animation sur leffet photoélectrique

15 Effet Compton Photon dénergie entre 10 et 40 keV Photon dénergie entre 10 et 40 keV le photon interagit un électron dune couche électronique externe; Éjection de lélectron avec une quantité dénergie cinétique K; Perte dénergie du photon E finale = E initiale - [W + K] Atome ionisé Confirmation de lexistence des photons

16 Niels Bohr ( ) Modèle de structure de latome en 1913 Prix Nobel en 1922 « pour ses études de la structure des atomes et des radiations qui en proviennent ». Vu en 2 nde : Modèle de latome (modèle de Rutherford + structure électronique en couche) 5- Modèle de Bohr Quantification des niveaux dénergie pour les atomes Cas de latome dhydrogène

17 Spectre démission de Atome dhydrogène ANIMATIONANIMATION Avec E 0 = 13,6 eV

18 Raie - TransitionEnergie (J ) Fr quenc e ( Hz ) Longueur donde (nm) Domaine spectralNom de la Série 4 31, ,161874I.RBracket 4 24, ,62486VisibleBalmer 4 12, ,0997,2U.VLyman 3 23, ,46656VisibleBalmer 3 11, ,93102,5U.VLyman 2 11, ,5121,5U.VLyman

19 6- LE LASER : Alfred Kastler ( ) Découverte et le développement de méthodes optiques servant à étudier la résonnance hertzienne dans les atomes », notamment la technique du « pompage optique », élaborée en 1949.pompage optique Prix Nobel de physique en 1966.

20 Comment exploite-t-on des phénomènes périodiques pour accéder à la mesure du temps ? En quoi le concept de temps joue-t-il un rôle essentiel dans la relativité ? Quels paramètres influencent lévolution chimique ? Comment la structure des molécules permet-elle d'interpréter leurs propriétés ? Comment les réactions en chimie organique et celles par échange de proton participent-elles de la transformation de la matière ? Comment seffectuent les transferts dénergie à différentes échelles ? Comment se manifeste la réalité quantique, notamment pour la lumière ? Quest ce quun Laser ?

21 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Concentré de (Mécanique Quantique) et de (Ingenierie) Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie) 3 éléments de base 3 éléments de base A.Un milieu Amplificateur A.Un milieu Amplificateur B.Une source externe dénergie : le pompage B.Une source externe dénergie : le pompage C.Une cavité résonante C.Une cavité résonante

22 Un peu dHistoire 1898 Cavité Fabry Perot 1917 Emission Stimulée Einstein 1949 Pompage Optique A. Kastler A Milieu amplificateur B Source denergie C Cavité résonante Synthèse Réalisation 1960 Maiman Schawlow Townes Basov Prokhorov

23 Principe du LASER : oscillateur optique animation Acronyme de : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (« amplification de la lumière par émission stimulée de radiations »)

24 A. Le milieu amplificateur Absorption Emission spontanée (temps ) Mécanismes classiques

25 Lémission stimulée Emission stimulée Conditions : Energie du photon incident (h ν ) = Energie du niveau haut – énergie du niveau bas N atomes excités > N atomes dans le niveau fondamental Amplification Inversion de population indispensable Même direction de propagation 2 ondes en phase Même état de polarisation

26 L'émission stimulée L'émission stimulée est le processus inverse de l'absorption, c'est-à-dire que la radiation (c.à.d. les photons) reçue par un atome stimule ce dernier à émettre exactement la même sorte de radiation (même longueur d'onde, même phase, même polarisation...). On remarque donc qu'il y a amplification, car il y a davantage de lumière après l'émission qu'avant. Malheureusement, cette amplification de la lumière est largement compensée par l'absorption dans les conditions normales, c'est pourquoi il n'y a pas de laser dans la nature en général. En effet, l'absorption de lumière par un atome fait passer ce dernier à une énergie supérieure, il gagne l'énergie. Alors que l'émission, au contraire, fait passer l'atome d'un état d'énergie supérieur à un état d'énergie inférieur. L'énergie de l'atome s'est transformé en énergie lumineuse. L'émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s'ils étaient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumière laser. Or, dans des conditions normales, les atomes ont une énergie minimale. Ils sont dans l'état d'énergie inférieur. Ils sont donc disposés à absorber de la lumière, mais pas à en émettre. C'est pourquoi l'absorption est généralement dominante par rapport à l'émission stimulée. Par contre, si on parvient à faire en sorte qu'un morceau de matière possède plus d'atomes dans l'état d'énergie supérieur que dans l'état d'énergie inférieur, alors l'amplification de la lumière par l'émission stimulée (l'effet laser) devient possible. On nomme cette situation «inversion de population» car le nombre d'atomes excités (la population de l'état d'énergie supérieur) est plus grand que le nombre d'atomes non-excités (la population de l'état d'énergie inférieur), inversement à la situation normale.

27 Linversion de population Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann N i =A.e -Ei/kT … Il faut FORCER linversion de Population en POMPANT le milieu Population Energie Niveau fondamental Niveau excité 1 Niveau excité n

28 Linversion de population Population Energie Niveau fondamental Niveau excité 1 Niveau excité n Entre ces deux niveaux : Inversion de population N2N2 N1N1

29 L'inversion de population a) population normale, il y a plus d'atomes au niveau inférieur; b) inversion de population, il y a plus d'atomes au niveau supérieur. L'inversion de population favorise le processus d'émission stimulée. De cette manière, un photon se propageant dans le milieu actif a plus de chance de provoquer la désexcitation d'un atome excité que de se faire absorber par un atome au niveau inférieur. Il y a alors plus de photons produits par émission stimulée que de photons perdus dans différents processus d'absorption. Une réaction en chaîne peut alors se produire, entraînant une multiplication des photons dans le milieu actif. L'inversion de population contribue ainsi à l'amplification de la lumière dans le laser. Pour obtenir une telle situation dans la pratique, on utilise le pompage optique. Cette méthode permet de transférer de l'énergie lumineuse à des atomes. Le premier milieu utilisé a été le rubis, un cristal d'alumine contenant un léger pourcentage d'oxyde de chrome. Ces ions chrome absorbent facilement le vert et le bleu (d'où la couleur rouge du rubis) et peuvent être excités en les éclairant avec un flash intense de lumière blanche. Ils émettent ensuite leur énergie sous forme de photons de lumière rouge de manière stimulée ou non. Les premiers lasers furent donc des lasers à rubis. Le pompage optique n'est pas la seule façon d'obtenir l'inversion de population. Celle-ci peut être aussi provoquée par décharge électrique ou par certaines réactions chimiques.

30 B. Le pompage Le pompage peut être optique (absorption de photons) ou électrique Le pompage peut être optique (absorption de photons) ou électrique (états excités créés suite à des collisions dans une décharge électrique par ex) Excitation extérieure apporte lénergie nécessaire au transfert dune majorité datomes dans létat excité Excitation extérieure apporte lénergie nécessaire au transfert dune majorité datomes dans létat excité POMPAGE Le milieu est alors AMPLIFICATEUR Emission STIMULEE possible

31 La technique du « pompage optique », élaborée en 1950, valut à Alfred Kastler le prix Nobel de physique en Cette technique permet de modifier les états des atomes à l'aide d'une irradiation lumineuse polarisée.1950Alfred Kastlerprix Nobel de physique1966 Les états atomiques se distinguent selon l'énergie emmagasinée par l'atome ; on les représente sur une échelle d'énergie, où les niveaux de faible énergie sont en bas de l'échelle, tandis que les niveaux de grande énergie sont dans le haut. L'état d'une vapeur atomique peut être représenté par la proportion ou le nombre d'atomes occupant chacun des niveaux de cette échelle (on dit encore la population de chaque niveau). Selon sa polarisation, la lumière permet de modifier les états atomiques vers les basses énergies, ou bien vers les hautes énergies. Dans ce second cas, les atomes représentés sur l'échelle d'énergie deviennent progressivement plus nombreux dans les hautes énergies. Dans cette représentation, le processus de pompage peut être comparé à une pompe ordinaire, qui élève les molécules d'eau d'une canalisation basse vers un réservoir haut placé (au sommet d'un chateau d'eau par exemple). La lumière polarisée joue le rôle d'une "pompe" à atomes dans l'échelle des niveaux d'énergie. Dans une population d'atomes en équilibre thermique, ce sont les niveaux d'énergies les plus bas qui sont les plus peuplés. Lorsqu'un processus de "pompage" produit un peuplement majoritaire d'atomes de hautes énergies, on dit qu'on a réalisé une « inversion de populations ». "L'inversion de populations" joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des laser. Le pompage optique, par illumination à l'aide d'un faisceau très intense, est une technique employée par exemple dans les laser à rubis, où le pompage optique est réalisé grâce à un tube à décharge. Les inversions de populations peuvent être réalisées par d'autres processus, inventés par la suite, et pour lesquels on a gardé le terme de "pompage", proposé initialement par le professeur Kastler.laserrubistube à décharge Wikipédia – pompage optique

32 C. La cavité Milieu amplificateur Problème : amplification infinie ???

33 Milieu Amplificateur C. La Cavité Permet de recycler les photons et dobtenir un effet en cacade Permet de recycler les photons et dobtenir un effet en cacade Longueur multiple de : Ondes stationnaires Longueur multiple de : Ondes stationnaires La plus simple : 2 miroirs dont un partiellement réflechissant pour extraire les photons utiles La plus simple : 2 miroirs dont un partiellement réflechissant pour extraire les photons utiles 2L = n. 2L = n. Photons utiles = n.c/2L = n. c/2L Condition de Rebouclage en phase sur un aller-retour

34 Le résonateur ouvert Solution : diminuer le nombre de mode en ouvrant la cavité Solution : diminuer le nombre de mode en ouvrant la cavité Peu dAller-Retour avant de quitter la cavité : pas damplification Beaucoup dAR avant de quitter la cavité : Amplification possible Résonateur type Fabry-Perot

35 Résumé POMPAGE EMISSION STIMULEE CAVITE

36 Résumé 2 Atomes dans le niveau fondamental Pompage (ici par flash) Atomes portés en majorité dans le niveau excité Emission spontanée/stimulée Effet cascade dû à la cavité Emission à travers un des miroirs

37 ONDE LASERONDE ORDINAIRE Directivité : Se propage dans une seule direction, Se propage dans Toutes les directions Monochromatique : Tous les photons émis ont la même énergie, donc la même Longueur donde (une seule raie sur le spectre) Les lumières émises par des lampes par ex ont plusieurs raies sur leur spectre démission. Cohérence spatiale et temporelle: Les ondes émises sont en phase. Phénomène dinterférence évité Les ondes ne vibrent pas en temps et de la même manière. Propriétés de la lumière issue dun LASER :

38 Précautions à prendre 1. Éliminer toute cause de réflexion parasite, même très brève, par des objets qui pourraient intercepter une partie du faisceau : – Enlever montres et bagues pendant la durée du TP. – Éviter de manipuler des objets en métal (tournevis, pinces...) ou en verre à proximité du faisceau. 2. Ne pas approcher son œil du faisceau pour faire les alignements. 3. Ne jamais insérer un élément optique (lentille, filtre...) dans le montage expérimental sans avoir au préalable coupé le faisceau laser. 4. Bien fixer tous les éléments optiques insérés dans le faisceau (pas de filtres optiques ou décrans simplement posés sur la tranche !). 5. Lors de travail en équipe sur un même laser, surveiller toujours les opérations effectuées par le coéquipier lorsquil est amené à manipuler à proximité du faisceau laser.

39 Lorsquun rayon laser atteint lœil, le cristallin focalise en un point de la rétine la lumière déjà fortement concentrée du fait de sa cohérence. Il nest donc pas étonnant quun laser de quelques millièmes de Watt (mW) puisse provoquer des lésions oculaires, alors quune lampe de 100 Watts savère inoffensive. Les lésions de la rétine sont particulièrement graves car les cellules sensorielles détruites ne se régénèrent pas. Classe 1 lasers sans danger, à condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables prévisibles (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD). imprimantesCD-ROMDVD Classe 1M lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à laide dinstrument optiques, peut être dangereuse. Classe 2 lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700nm. La protection de lœil est normalement assurée par les réflexes de défense comprenant le réflexe palpébral, clignement de la paupière (par exemple, des lecteurs de code-barres).code-barres Classe 2M lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à laide dinstrument optiques, peut être dangereuse (exemples : loupes et télescopes).loupestélescopes

40 Un laser à 2 niveaux ? POMPE (1) (2) Émission spontanée Émission stimulée Résultat de physique atomique (Einstein 1917): « Pour une transition donnée la probabilité démission stimulée (pour 1 atome dans létat excité éclairé par 1 photon) est égale à la probabilité dabsorption (pour 1 atome dans létat fondamental éclairé par un photon) » Donc : il est impossible en pompant une seule transition atomique dobtenir une inversion de population N 2 > N 1 Au maximum (fort pompage) : N 1 = N 2

41 Système à 3 niveaux POMPE Effet laser Inversion de Population difficile ! On veut N 2 -N 1 le plus grand possible : Il faut peupler (2) OK Il faut vider (1) + dur !! (niveau fondamental) (2) (1) (3) Fonctionnement en continu difficile à atteindre (le niveau (1) se repeuple dès que le laser marche !) Il existe un seuil de transparence (il faut pomper pour atteindre N = 0) Non radiatif (sans émission de photon) rapide (ns)

42 Système à 3 niveaux : exemple Th. Maiman,1960 (Impulsionnel µs)


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