Émission stimulée - LASER

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1 Émission stimulée - LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation lasers

2 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

3 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 B.rn.ni ni nj absorption B.rn.nj émission stimulée A.nj émission spontanée rn = densité de rayonnement

4 absorption = émission stimulée + émission spontanée
à l’équilibre absorption = émission stimulée + émission spontanée Bij.rn.ni = Bji.rn.nj + Aji.nj i j ni nj Abs Esp Est Populations selon Boltzman 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 Aji.e-Ej/kT (Bij.e-Ei/kT - Bji.e-Ej/kT) rn = rn = Aij Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji

5 rn = Aij Bij.exp(hn/kT) - Bji densité de rayonnement Ej - Ei = hn Ei Ej hn Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji Identification avec le rayonnement du corps noir rn = 8ph l3 [exp(hn/kT) - 1] = Aij Bij.exp(hn/kT) - Bji Bij = Bji = B B = A l3 8ph et

6 Conséquences B = A l3 8ph Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj
Émission spontanée A.nj i j ni nj Abs Esp Est émission spontanée prépondérante à courtes longueurs d’onde A >> B désintégration nucléaire Fe Fe + g (effet Mössbauer) émission stimulée prépondérante à grandes longueurs d’onde B >> A RMN saturation quand nj = ni relaxation non radiative: T1 et T2 i j ni nj Abs Est

7 Émission stimulée B.rn.nj
Inversion de population pour que l’émission stimulée devienne prépondérante à priori nj ≤ ni Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj Est ≤ Abs Abs Est système à 3 niveaux Inversion de population par pompage optique nj > ni transfert d’énergie émission stimulée ni nj pompage optique Alfred Kastler (1958)

8 1. Absorption d’un photon
2. Relaxation non radiative 3. Émission spontanée 4. Émission stimulée

9 1 photon incident 2 photons émis cascade
processus de retour (miroir) pour amplifier le signal

10 amplification des ondes telles que
Oscillateur LASER Interféromètre de Pérot-Fabry Charles Fabry Alfred Pérot excitation lumineuse L faisceau laser amplification des ondes telles que L = nl/2

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12 Charles Townes et Arthur Shalow décrivent la théorie du laser à rubis
Physical review, 112 (1958) 1940 Charles Townes et Arthur Shalow décrivent la théorie du laser à rubis (Bell Labs ) Arthur L. Schawlow Charles H. Townes

13 Ted Maiman réalise le 1er laser à rubis (Hughes research Labs. 1960)

14 Le premier laser de T.H. Maiman
pompage optique lampe au krypton rubis

15 L’ion Cr3+ Configuration 3d3
ion libre 4F t2g eg champ octaédrique 4A2g

16 Rubis B = 695 cm-1 D = 17.000 cm-1 Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) 37.000 cm-1
4T1g(P) 4A2g cm-1 4T1g(F) 4A2g cm-1 4T2g(F) 4A2g B = 695 cm-1 D = cm-1 D/B ≈ 25

17 Rubis rouge avec une légère teinte violette
Cr3+ 3d3 rouge e = 14 bleu e = 15 Rubis Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) 18.000 25.000 cm-1 556 nm = vert-jaune 407 nm = violet Rubis rouge avec une légère teinte violette

18 l’absorption correspond à une transition électronique
hn = f(D) Termes excités d3 configuration (t2g)2.(eg)1 4T1g - 4T2g termes Terme fondamental terme 4A2g configuration (t2g)3 d3 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

19 Rubis D = 2,23 eV Émeraude D = 2,05 eV émeraude D/B ≈ 25 D/B ≈ 20
déplacement vers les grandes l énergies plus faibles émeraude

20 Émeraude D = 2,05 eV Rubis D = 2,23 eV vert Sensibilité maximale
de l’œil dans le vert Rubis D = 2,23 eV rouge vert bleu

21 Alexandrite Cr3+/ BeAl2O4 D = 2,17 eV transmission rouge + vert
jaune bleu D = 2,17 eV transmission rouge + vert La couleur dépend de l’éclairage Verte à la lumière du jour Rouge sous une lampe à incandescence

22 Luminescence du rubis excitation 4A2 4T2 4T1 relaxation non radiative
2T1 et 2E émission spontanée 2T1 et 2E vers 4A2

23 Luminescence du rubis excitation 4A2 4T2 4T1 relaxation non radiative
2T1 et 2E émission spontanée 2T1 et 2E vers 4A2

24 Luminescence rouge 2T1 2E hn = l = 694 nm 4A2
cm-1 cm-1 hn = l = 694 nm 4A2 2E 2T1 Transitions au sein de la configuration t2g3 E varie de la même façon avec D E D 2T1 2E 4A2 4T2 Raie fine Même luminescence rouge pour l’émeraude Transitions interdites de spin phosphorescence inversion de population

25 absorption émission bandes larges raie fine

26 absorption forte (bandes larges) émission monochromatique (raie fine)
Laser rubis absorption forte (bandes larges) émission monochromatique (raie fine)

27 L’émission se fait à partir
Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2 bande large laser accordable (710 à 820 nm)

28 L’émission se fait à partir
Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2 bande large laser accordable (710 à 820 nm)

29 Lasers à 4 niveaux - YAG : Nd3+
grenat d’yttrium et d’aluminium dopé avec des ions Nd3+ Guesic (1964) Y3Al5O12 E0 E1 E2 E3 le niveau émetteur E3 n’est pas peuplé thermiquement (E >> kT)

30 Laser YAG: Nd3+ Configuration 4f 3 S = 3/2 L = 6 4I Terme fondamental
S = 3/2 L = 6 4I Terme fondamental 4I9/2 4I11/2 4I15/2 4I13/2 9/2 ≤ J ≤ 15/2 Couplage spin-orbite : 4IJ L-S ≤ J ≤ L+S État fondamental

31 laser rouge doublage vert : 532 nm
Émission à partir du niveau 4F3/2 4F3/2 4I11/2 1.064 nm 4I13/2 1.317 nm 4I9/2 946 nm 4I15/2 laser rouge doublage vert : 532 nm

32 Laser Titane-Saphir - Al2O3 : Ti3+
t2g eg ( ≈ 1990) Configuration de Ti3+ = 3d1 transition t2g eg1 hn = D ≈ cm-1 Élimination de toute trace de Ti4+ qui donnerait une couleur bleue intense Remplacement des lasers à colorants dans l’infra-rouge

33 1. excitation optique (400 à 650 nm) 2. relaxation non radiative
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

34 Lasers infra-rouge MgF2 : Co2+ accordable de 1500 nm à 2500 nm

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36 1954 : premier Maser à NH3 Inversion de la molécule NH3 N H
(effet parapluie) Charles H. Townes Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Means of Acquiring Support for Expensive Research 1964 : Prix Nobel de physique à Townes, Basov et Prokhorov

37 Maser à ammoniac Maiman

38 Lasers à colorants Luminophores organiques

39 Laser à CO2 Forte puissance ≈ 2,5 kW Gamme de travail : 9,4 à 10,4 mm
Gaz : He, N2, CO2 découpe métaux chirurgie