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

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

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

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

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

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

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)

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

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

amplification des ondes telles que Oscillateur LASER Interféromètre de Pérot-Fabry Charles Fabry 1867-1945 Alfred Pérot 1863-1925 excitation lumineuse L faisceau laser amplification des ondes telles que L = nl/2

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 - 1958) Arthur L. Schawlow Charles H. Townes

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

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

L’ion Cr3+ Configuration 3d3 ion libre 4F +2 +1 0 -1 -2 t2g eg champ octaédrique 4A2g

Rubis B = 695 cm-1 D = 17.000 cm-1 Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) 37.000 cm-1 4T1g(P) 4A2g 25.000 cm-1 4T1g(F) 4A2g 18.000 cm-1 4T2g(F) 4A2g B = 695 cm-1 D = 17.000 cm-1 D/B ≈ 25

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

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

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

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

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

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

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

Luminescence rouge 2T1 2E hn = l = 694 nm 4A2 14.432 cm-1 14.403 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

absorption émission bandes larges raie fine

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

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)

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)

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)

Laser YAG: Nd3+ Configuration 4f 3 S = 3/2 L = 6 4I Terme fondamental 3 2 1 0 -1 -2 -3 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

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

Laser Titane-Saphir - Al2O3 : Ti3+ t2g eg ( ≈ 1990) Configuration de Ti3+ = 3d1 transition t2g1 eg1 hn = D ≈ 20.000 cm-1 Élimination de toute trace de Ti4+ qui donnerait une couleur bleue intense Remplacement des lasers à colorants dans l’infra-rouge

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

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

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

Maser à ammoniac Maiman - 1960

Lasers à colorants Luminophores organiques

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