L A S E R Light Amplification Stimulation Emission Radiation

Rappel de ce qui se passe dans l’atome

Autour du noyau d’un atome, les électrons ne peuvent se trouver qu’ à certains endroits (appelés orbitales) qui correspondent à des niveaux d’énergie de l’atome.

Tout comme un objet dans un escalier, il peut se trouver sur n’importe quelle marche mais jamais entre deux.

Plus l’électron est sur une orbitale éloignée du noyau, plus l’atome possède d’énergie, plus il est excité. Un atome cherche toujours à redescendre sur son niveau de plus basse énergie ( le niveau fondamental) pour cela l’électron effectue des transitions vers les couches les plus profondes.

Lors d’une transition électronique (quand l’atome passe d’un niveau à un autre plus petit) il y a libération d’énergie sous forme d’un « paquet » de lumière appelé photon: c’est l’émission spontanée. énergie niveau d’énergie E 0 niveau d’énergie E 1

Nature de la lumière

On appelle cela l’absorption car le photon est absorbé et l’atome passe d’un niveau de plus basse énergie à un niveau supérieur.

En réalité, l’atome reste dans un état excité un très bref instant avant de tomber dans un niveau de plus basse énergie. Cependant, il existe des états métastables où l’atome reste à un même niveau d’énergie pendant une durée suffisamment longue pour qu’il puisse subir une émission stimulée.

Le photon émis vibre exactement à la même fréquence que le photon incident (permettant la transition) et en phase avec celui-ci. On obtient alors une lumière cohérente. On se retrouve alors avec 2 photons identiques et synchronisés au lieu d’un seul, c’est l’émission stimulée.

En répétant ce processus, on peut multiplier le nombre de photons produits.

Inversion de population et amplification Exemple avec le laser Hélium Néon

A l’intérieur du laser, deux miroirs à chaque extrémité d’un cylindre sont face à face. Deux électrodes, reliées à un générateur de tension continue, vont échangées des électrons.

Dans ce cylindre ou ampoule où règne le vide, on enferme des atomes d’hélium et de néon, sous forme de gaz.

On applique une tension, des électrons circulent entre les atomes de gaz et entrent en collision avec les atomes d’hélium qui passent alors dans un état excité.

L’atome d’hélium excité entre en collision avec un atome de néon qui devient excité à son tour.

Le néon est alors dans un état métastable pendant quelques instants et finit par redescendre d’un niveau d’énergie en émettant un photon. Le photon émis passant près d’un autre néon excité va provoquer une émission stimulée. Remarque: La transition se fait du niveau 3 au niveau 2.

De plus en plus de photons cohérents sont ainsi produits en passant à proximité de néons dans un état métastable et ils arrivent à l’un miroir qui peut être celui qui est semi-réfléchissant ainsi une partie du faisceau de photons obtenus « sort » du laser et cette lumière peut être utilisée.

L’autre portion du faisceau est réfléchie et va percuter à son tour des atomes de néon excités et réaliser ainsi l’amplification de la lumière stimulée, ces nombreux photons seront à leur tour réfléchis par le miroir à l’autre extrémité (totalement réfléchissant) à leur retour ils provoqueront encore des émissions stimulées et une partie du faisceau sortira par le miroir semi-réfléchissant etc, etc…

Les photons arrivent sur le second miroir totalement réfléchissant.

Les photons réfléchis traversent et rencontrent à nouveau des atomes de néon excités d’où la production amplifiée de l’émission stimulée.