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Lasers Émission stimulée - LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

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

2 Émission stimulée Tous les photons émis sont indentiques entre eux même direction faisceau très peu divergent même longueur donde lumière monochromatique même phase lumière cohérente

3 Coefficients dEinstein 3 processus inelastiques Absorption B..n i Émission spontanée A.n j Émission stimulée B..n j B..n i nini njnj absorption B..n j nini njnj émission stimulée A.n j nini njnj émission spontanée = densité de rayonnement 1917 : Albert Einstein introduit le concept démission stimulée pour expliquer le rayonnement du corps noir

4 Populations selon Boltzman n i e- Ei/kT n j e -Ej/kT B ij.. e- Ei/kT = B ji.. e -Ej/kT + A ji e -Ej/kT j (B ij.e -Ei/kT - B ji.e -Ej/kT ) = A ji.e -Ej/kT A ji.e -Ej/kT (B ij.e -Ei/kT - B ji.e -Ej/kT ) = A ij B ij.exp(E j -E i )/kT - B ji à léquilibre absorption = émission stimulée + émission spontanée B ij..n i = B ji..n j + A ji.n j i j nini njnj A bs E sp E st

5 Identification avec le rayonnement du corps noir = 8 h 3 [exp(h /kT) - 1] = 8 h 3 [exp(h /kT) - 1] = A ij B ij.exp(h /kT) - B ji = A ij B ij.exp(h /kT) - B ji densité de rayonnement E j - E i = h EiEi EjEj h = A ij B ij.exp(E j -E i )/kT - B ji B ij = B ji = BB = A 3 8 h et

6 Conséquences émission spontanée prépondérante à courtes longueurs dondeA >> B désintégration nucléaire Fe Fe + (effet Mössbauer) émission stimulée prépondérante à grandes longueurs dondeB >> A RMN saturation quand n j = n i relaxation non radiative: T 1 et T 2 i j nini njnj A bs E st B = A 3 8 h Absorption B..n i Émission stimulée B..n j Émission spontanée A.n j ij nini njnj A bs E sp E st

7 Inversion de population pour que lémission stimulée devienne prépondérante à priori n j n i Absorption B..n i Émission stimulée B..n j E st A bs A bs E st système à 3 niveaux Inversion de population par pompage optique n j > n i transfert dénergie émission stimulée nini njnj pompage optique Alfred Kastler (1958)

8 1. Absorption dun photon2. Relaxation non radiative 3. Émission spontanée4. Émission stimulée

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

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

11

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

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

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

15 Lion Cr 3+ Configuration 3d ion libre 4 F t 2g egeg champ octaédrique 4 A 2g

16 B = 695 cm -1 = cm - 1 Rubis Al 2 O 3 /Cr 3+ ( 0,5%) /B cm -1 4 T 1g (P) 4 A 2g cm -1 4 T 2g (F) 4 A 2g cm -1 4 T 1g (F) 4 A 2g

17 Rubis rouge avec une légère teinte violette Cr 3+ 3d 3 rouge = 14 = 15 bleu 407 nm = violet cm nm = vert-jaune Rubis Al 2 O 3 /Cr 3+ ( 0,5%)

18 Termes excités d3d3 configuration (t 2g ) 2.(e g ) 1 4 T 1g - 4 T 2g termes Terme fondamental terme 4 A 2g configuration (t 2g ) 3 d3d3 h = f( ) labsorption correspond à une transition électronique t 2g e g Lénergie de ces 2 familles dorbitales varie de façon différente avec pente importante bandes larges

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

20 Émeraude = 2,05 eV Rubis = 2,23 eV vert bleu rouge vert Sensibilité maximale de lœil dans le vert

21 Alexandrite Cr 3+ / BeAl 2 O 4 = 2,17 eV transmission rouge + vert La couleur dépend de léclairage jaunebleu Rouge sous une lampe à incandescence Verte à la lumière du jour

22 Luminescence du rubis excitation 4 A 2 4 T 2 4 T 1 relaxation non radiative 2 T 1 et 2 E émission spontanée 2 T 1 et 2 E vers 4 A 2

23 Luminescence du rubis excitation 4 A 2 4 T 2 4 T 1 relaxation non radiative 2 T 1 et 2 E émission spontanée 2 T 1 et 2 E vers 4 A 2

24 4A24A2 2E2E 2T12T1 E 2T12T1 2E2E 4A24A2 4T24T2 Transitions au sein de la configuration t 2g 3 E varie de la même façon avec Même luminescence rouge pour lémeraude Raie fine Transitions interdites de spin phosphorescence inversion de population Luminescence rouge cm cm -1 h = 694 nm

25 absorption émission bandes largesraie fine

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

27 Lémission se fait à partir du niveau 4 T 2 Alexandrite : Cr 3+ BeAl 2 O 4 bande large laser accordable (710 à 820 nm)

28 Lémission se fait à partir du niveau 4 T 2 laser accordable (710 à 820 nm) Alexandrite : Cr 3+ BeAl 2 O 4 bande large

29 Lasers à 4 niveaux - YAG : Nd 3+ grenat dyttrium et daluminium dopé avec des ions Nd 3+ le niveau émetteur E 3 nest pas peuplé thermiquement (E >> kT) Guesic (1964) Y 3 Al 5 O 12 E0E0 E1E1 E2E2 E3E3

30 Laser YAG: Nd 3+ Configuration 4f S = 3/2 L = 6 4I4I Terme fondamental 4 I 9/2 4 I 11/2 4 I 15/2 4 I 13/2 9/2 J 15/2 Couplage spin-orbite : 4 I J L-S J L+S État fondamental 4 I 9/2

31 4 F 3/2 4 I 11/ nm 4 F 3/2 4 I 13/ nm 4 F 3/2 4 I 9/2 946 nm 4 F 3/2 4 I 9/2 4 I 11/2 4 I 13/2 4 I 15/2 Émission à partir du niveau 4 F 3/2 laser rouge doublage vert : 532 nm

32 Laser Titane-Saphir - Al 2 O 3 : Ti 3+ Configuration de Ti 3+ = 3d 1 transition t 2g 1 e g 1 h = cm -1 t 2g egeg ( 1990) Remplacement des lasers à colorants dans linfra-rouge Élimination de toute trace de Ti 4+ qui donnerait une couleur bleue intense

33 Système à 4 niveaux 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 800 nm

34 Lasers infra-rouge MgF 2 : Co 2+ accordable de 1500 nm à 2500 nm

35

36 1954 : premier Maser à NH 3 Inversion de la molécule NH 3 Charles H. Townes (effet parapluie) N H H H N H H 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

37 Maser à ammoniac Maiman

38 Lasers à colorants Luminophores organiques

39 Laser à CO 2 Forte puissance 2,5 kW Gamme de travail : 9,4 à 10,4 m Gaz : He, N 2, CO 2 découpe métaux chirurgie


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