Chap. 4 (suite) : Le laser.

SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS

Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome 1. Absorption et émission quantiques 1.1. Absorption et émission spontanée Etat ionisé E4 E3 Etats excités E2 E1 Etat fondamental Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome Doc. 1 : Les niveaux d’énergie d’un atome sont … . Les échanges d’énergie entre un atome et une onde électromagnétique de fréquence n sont donc eux aussi … : ils se font par paquets d’énergie appelés photons tel que E, l’énergie transportée par ce photon, … . quantifiés quantifiés E = h.n

Absorption : cela correspond … En h.n E1 Doc. 2 : absorption d’un photon Spectre d'absorption de l’hydrogène dans le visible. Absorption : cela correspond …

Quelle est la fréquence et la longueur d’onde de l’onde lumineuse absorbée par l’atome d’hydrogène lors de la transition du niveau d’énergie fondamental au niveau 2 ? Niveaux d'énergie de l'atome d’hydrogène. E (eV) – 13,6 n –3,4 Photon d'énergie E =h.n. Absorption d’un photon : transition de niveau d'énergie. 1 2 3 On a : E2 – E1 = h.n Soit n = (E2 – E1)/h A.N. : n = (-3,4 – (-13,6) x 1,6.10-19/6,626.10-34 = 2,46.1015 Hz Comme l = c/n A.N. : l = 3,0.108/2,46.1015 = 1,21.10-7 m dans le vide soit 121 nm (U.V).

Doc. 3 : émission spontanée d’un photon En h.n E1 Doc. 3 : émission spontanée d’un photon Emission spontanée : cela correspond …

Niveaux des états excités Pour l’hydrogène, dans le visible, les raies d’émission correspondent aux transitions des niveaux d’énergie 3, 4, 5 au niveau 2 Valeur E en eV n : niveau d’énergie – 0,54 5 Niveaux des états excités – 0,85 4 – 1,51 3 – 3,4 2 – 13,6 1

Remarque : l’émission spontanée à lieu généralement …

Parfois, elle a lieu … Les photons sont émis …

Doc. 4 : émission stimulée 1.2. Emission stimulée E E1 En Doc. 4 : émission stimulée h.n Un photon peut interagir avec un atome, même si … Emission stimulée : Dans une population d’atomes, il y a beaucoup plus d’atomes dans l’état fondamental que dans un état excité. L’émission stimulée est un phénomène très peu probable par rapport à l’émission spontanée. Si peu probable qu’elle n’a été observée qu’en 1928 alors qu’Albert Einstein avait prévu son existence dès 1917.

2.1. Principe de fonctionnement du laser 2.1.1 Pompage optique 2. Application au laser 2.1. Principe de fonctionnement du laser 2.1.1 Pompage optique Doc. 5 : pompage et inversion de population : Pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes, il faut les amener à un niveau excité E2 … à leur niveau fondamental E1 en leur fournissant de … . On effectue alors une … par un procédé appelé … . Cette énergie peut être transmise par décharge électrique (pompage électrique) ou par un faisceau lumineux (pompage … ). On obtient alors un … . Pompage supérieur l’énergie Milieu actif inversion de population pompage Après pompage optique milieu actif

Après émission stimulée Milieu actif L’onde incidente est donc … par émission stimulée. amplifiée Après pompage Après émission stimulée

L’énergie fournie par le pompage Doc. 6 : cavité résonante du laser Pompage Cavité résonante de longueur L Miroir concave Miroir Semi-transparent Faisceau laser 2.1.2. La cavité résonante Le milieu actif est placé dans une cavité entre deux … parallèles disposés face à face. Les photons font donc plusieurs allers-retours ( … optique) et interférent entre eux. Ces interférences sont … si la longueur L de la cavité vérifie la relation : 2 × L = k × l (avec k  *). L’un des deux miroirs étant semi-transparent, une partie du rayonnement s’échappe de la cavité et forme le rayon laser. … compense l’énergie perdue par l’émission laser. miroirs oscillateur constructives L’énergie fournie par le pompage

Certains lasers émettent … 2.2. Propriétés et applications de la lumière laser Le faisceau émis est : - … Certains lasers émettent … Ex : Un laser hélium-Néon délivre un faisceau de puissance P = 2,0 mW et de rayon r = 0,40 mm. Déterminer la puissance surfacique I du faisceau et la comparer à celle de la lumière solaire (IS = 1 kW.m–2)