Applications industrielles Transmission par fibre optique Applications militaires Impression laser Analyses physico-chimiques Stockage d’informations Mesures de longueurs Applications médicales Arts et spectacles

Transferts quantiques d’énergie Le principe du LASER

Echanges d’énergie dans un atome Les transitions quantiques Partie A Echanges d’énergie dans un atome Les transitions quantiques

Echanges d’énergie dans un atome : les transitions quantiques Un atome admet différents niveaux d’énergie dont les valeurs sont quantifiées et caractéristiques du type d’atome. Lorsqu’un atome est à son niveau d’énergie le plus bas, il est dans son état « fondamental ». C’est l’état le plus stable de l’atome. E1 = - 5,14 eV Niveau n = 1 E2 = - 3,03 eV Niveau n = 2 E3 = - 1,93 eV Niveau n = 3 E4 = - 1,51 eV Niveau n = 4 E5 = - 1,38 eV Niveau n = 5 E∞ = 0 Niveau n → ∞ Par absorption d’énergie, l’atome peut passer dans un état « excité ». Le passage de l’atome d’un état à un autre est appelé « transition quantique ». Nous distinguerons trois types de transitions quantiques.

Echanges d’énergie dans un atome : les transitions quantiques 1 - L’absorption quantique E E2 E1 L’atome, initialement dans son état fondamental, absorbe une énergie exactement égale à la différence E2 – E1 et passe dans l’état d’énergie E2. Cet apport d’énergie à l’atome peut se faire par absorption d’un photon ayant la longueur d’onde correspondante, par passage d’un courant électrique ou par collision avec d’autres particules.

Echanges d’énergie dans un atome : les transitions quantiques 2 – L’émission spontanée E E2 E1 De manière quasiment instantanée (durée de l’ordre de 10-9 s), l’atome revient dans son état fondamental et retrouve sa stabilité en émettant un photon de longueur d’onde telle que l’énergie libérée correspond à la différence E2 – E1. Les photons sont émis spontanément dans des directions aléatoires et de manière non cohérente (déphasage non nul).

Echanges d’énergie dans un atome : les transitions quantiques 3 – L’émission stimulée E E2 E1 Lorsqu’un photon d’énergie E2 – E1 rencontre un atome déjà dans son état d’énergie E2, l’atome revient dans son état fondamental en émettant un photon d’énergie E2 – E1 parfaitement identique au photon incident. Les photons incident et émis ont alors même fréquence, même direction et un déphasage nul (cohérence). L’émission stimulée a été prévue par Einstein en 1917 mais mise en évidence en 1928 seulement.

Echanges d’énergie dans un atome : les transitions quantiques Rappel : théorie des quanta En 1900, Planck postule que des échanges d’énergie entre la matière et la lumière sont possibles par « paquets », et non pas de manière continue. A chaque paquet, appelé « quantum d’énergie » est associée une radiation électromagnétique de fréquence υ telle que : E = h × υ où h est la constante de Planck (h = 6,63.10-34 J.s) υ est la fréquence de l’onde associée (Hz) E est l’énergie échangée (J) En 1905, Einstein explique, sur la base de la théorie de Planck, l’effet photoélectrique et introduit une représentation corpusculaire du phénomène (photon).

Partie B Principe de fonctionnement du laser Avant d’être un mot, LASER est un acronyme : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Principe de fonctionnement du laser Sources lumineuses traditionnelles Les sources de lumière traditionnelles, naturelles ou fabriquées, émettent de la lumière par émission spontanée de photons. Les atomes sont excités par différentes méthodes (réactions nucléaires, décharge électrique, réaction chimique, absorption de rayonnement) et la lumière émise résulte de leur désexcitation spontanée. Les photons émis par ces sources ont donc des directions et des déphasages aléatoires. L’objectif du laser est de produire une lumière intense, directive et cohérente, donc de baser l’émission lumineuse non pas sur l’émission spontanée de photons mais sur leur émission stimulée.

Principe de fonctionnement du laser L’inversion de population Quand un atome est dans un état excité, les deux modes de désexcitation (spontanée et stimulée) sont en compétition. Mais la désexcitation spontanée étant quasiment instantanée, la population d’atomes excités à un instant t est très faible par rapport à la population d’atomes dans leur état fondamental. Il en résulte que le phénomène de désexcitation stimulée, qui nécessite la rencontre d’un photon avec un atome déjà excité, est très peu fréquent. Pour rendre la désexcitation stimulée plus fréquente que la désexcitation spontanée dans un grand échantillon d’atomes, il faut donc inverser les populations, c’est-à-dire rendre les atomes dans un état excité plus nombreux, à chaque instant, que les atomes dans leur état fondamental. L’étape qui permet de réaliser cette inversion de population porte le nom de « pompage ».

Principe de fonctionnement du laser Le pompage optique Un apport d’énergie quantifiée, en général assuré par un faisceau lumineux (d’où le nom de pompage optique) excite les atomes du milieu afin de les faire passer de l’état fondamental E1 à un état excité E3 immédiatement supérieur à E2. Spontanément, les atomes peuplent le niveau E2 depuis E3 en se désexcitant. Ils se retrouvent alors plus nombreux dans l’état excité E2 que dans l’état fondamental, ce qui correspond à l’inversion de population recherchée. E E3 E1 E2 Pompage optique Désexcitation spontanée Désexcitation stimulée

Principe de fonctionnement du laser La cavité résonante Quand une radiation de fréquence υ telle que h × υ = E2 – E1 traverse un échantillon contenant des atomes majoritairement excités dans l’état E2, elle provoque la désexcitation stimulée de ces atomes. L’énergie libérée par les atomes est ainsi transférée à l’onde incidente sous forme de photons identiques, et l’énergie totale se trouve amplifiée. Le milieu traversé par l’onde, nommé « milieu actif », constitue alors un « amplificateur de lumière ». Afin d’amplifier encore l’onde, on peut lui faire parcourir un grand nombre d’aller-retour dans le milieu actif en plaçant de part et d’autre deux miroirs : l’un est totalement réfléchissant tandis que l’autre est semi-transparent donc laisse échapper une partie du rayonnement lumineux.

Apport d’énergie par pompage optique Principe de fonctionnement du laser La cavité résonante Apport d’énergie par pompage optique L Milieu actif Les ondes plusieurs fois réfléchies dans la cavité interfèrent, et ces interférences sont constructives si la longueur de la cavité est un multiple entier de la demi-longueur d’onde du rayonnement : L = n × λ/2 L’intensité du faisceau lumineux généré croit alors rapidement.

Propriétés et applications du laser Partie C Propriétés et applications du laser

Gain d’énergie par pompage optique Perte d’énergie par rayonnement Propriétés et applications du laser Notion d’oscillateur optique L’énergie portée par l’onde amplifiée dans la cavité augmente rapidement par résonance (aller – retour dans le milieu). Toutefois, le milieu n’ayant pas d’énergie propre, l’augmentation de cette énergie est limitée par celle apportée par le pompage optique. Gain d’énergie par pompage optique Milieu actif Perte d’énergie par rayonnement L’amplificateur de lumière est un convertisseur d’énergie mais son bilan énergétique est équilibré. Il s’agit d’un oscillateur optique entretenu.

Propriétés et applications du laser Directivité et cohérence Le laser ayant pour principe d’émission de photons l’émission stimulée, tous les photons sont émis dans la même direction et dans la direction de l’onde incidente. Le faisceau produit est donc d’une très grande directivité. On considère que l’angle de divergence est de l’ordre du milliradian. De la même manière, tous les atomes se comportent comme des sources cohérentes et toutes les émissions successives d’un même atome sont aussi cohérentes. Le laser lui-même est donc une source de lumière cohérente, ce qui le rend beaucoup plus pratique en Physique qu’une source de lumière traditionnelle (pour étudier les phénomènes d’interférences en particulier).

Propriétés et applications du laser Lumière monochromatique Pour provoquer l’émission stimulée, l’onde incidente doit avoir une longueur d’onde correspondant à l’énergie d’une transition quantique de l’atome qui peuple le milieu actif. Tous les photons ont alors cette même longueur d’onde, donc la lumière émise est monochromatique. Le choix de la couleur émise par le laser dépend de la nature des atomes excités dans le milieu actif. Les lasers rouges, les plus courants, portent en général la mention laser He-Ne, ce qui signifie que l’atome excité est un atome de néon. L’hélium est le gaz qui, par une décharge électrique, est excité et cède son énergie aux atomes de néon (pompage).

Propriétés et applications du laser Le principe théorique de l’émission stimulée a été prévu par Einstein dans un article en 1917 mais est resté à l’état de concept théorique jusqu’à l’invention du MASER, ancêtre du laser, en 1954. Aujourd’hui, le laser est omniprésent dans nos activités quotidiennes comme industrielles. Les applications lasers utilisent les propriétés de cohérence spatiale et temporelle du laser. Elles peuvent être classées plus ou moins en fonction de la réflexion ou de l'absorption du laser.

Propriétés et applications du laser Métrologie - Télédétection - Collimation d'instrument optique (télescope de Newton) - Granulométrie et vélocimétrie - Mesure de distance (télémétrie par interférométrie) Transfert de puissance - Refroidissement d'atomes par laser - Imprimerie : périphériques d'écriture de plaques offset - Centrale solaire orbitale - Transmission d'énergie sans fil Procédés laser et matériaux - Fusion superficielle de matériaux - Soudure de matériau homogène ou hétérogène - Découpe, perçage par percussion, décapage de surface, durcissement de surface - Choc par ablation laser (test d'adhérence à l'interface de matériaux hétérogènes…) - Dopage laser des semi-conducteurs

Propriétés et applications du laser Applications Médicales - Ophtalmologie - Tabacologie : laser doux, traitement contre les dépendances - Dermatologie : épilation laser, détatouage laser, ... - Dentisterie : laser dentaire Erbium, laser dentaire YAP - Physiothérapie (débridement) - Trépanation - Traitement de certains types de douleurs avec un laser basse énergie : l'efficacité semble probante mais le mécanisme d'action reste inconnu. - Traitement de l'hypertrophie bénigne de la prostate. Applications policières - Utilisation pour la détection d'empreintes latentes dans le domaine de la criminalistique - Cinémomètre laser portable et autonome qui permet de détecter la vitesse des véhicules dans le domaine de la sécurité routière Artistique - Spectacle « son et lumière » - Harpe laser - Projection d'image sur écran dans les salles de cinéma numérique

Propriétés et applications du laser Transfert d'information - Holographie - Lecture et enregistrement de support optique numérique (CD, DVD, Laser Disc…) - Électrophotographie (ou « xérographie »), procédé des imprimantes laser - Télécommunications via réseaux de fibres optiques - Transmission inter-satellitaire Interaction laser/matière : phénomènes physiques - Photoacoustique - Acousto-optique (modulateur acousto-optique) - Fluorescence induite par laser Nucléaire - Fusion nucléaire contrôlée laser mégajoule (LMJ) Applications militaires - Armes anti-satellite, anti-missile, incapacitantes (Boeing YAL1 ou IDS dit Prog StarWars) - Pod de désignation laser - Aide à la visée - Sabre laser de Jedi