Chap. 4 (suite) :Le laser.

SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS

0 Etat ionisé

Etats excités

Etat fondamentalE1

E2

E3

E4

Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome

1. Absorption et émission quantiques1.1. Absorption et émission spontanée

Doc. 1 : Les niveaux d’énergie d’un atome sont … .Les échanges d’énergie entre un atome et une onde électromagnétique de fréquence 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.

E

E1

En

Doc. 2 : absorption d’un photon

h.

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 ?

On a : E2 – E1 = h.

Soit = (E2 – E1)/h

A.N. : = (-3,4 – (-13,6) x 1,6.10-19/6,626.10-34 = 2,46.1015 Hz

Comme = c/n

A.N. : = 3,0.108/2,46.1015 = 1,21.10-7 m dans le vide soit 121 nm (U.V).

Niveaux d'énergie de l'atome d’hydrogène.

E (eV)

– 13,6

n

–3,4

Photon d'énergieE =h.

Absorption d’un photon : transition de

niveau d'énergie.1

2

3

E

E1

En

Doc. 3 : émission spontanée d’un photon

h.

Emission spontanée : cela correspond …

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

– 13,6

n : niveau d’énergie

– 3,4

1

2

– 1,51

3– 0,85 4

– 0,54 5

Niveaux des états excités

Remarque : l’émission spontanée à lieu généralement …

Parfois, elle a lieu …

Les photons sont émis …

1.2. Emission stimulée

E

E1

En

Doc. 4 : émission stimulée

h.

E

h.

h.

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. Application au laser2.1. Principe de fonctionnement du

laser2.1.1 Pompage optique

Milieu actif

Après pompage

Pompage

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 ….

supérieurl’énergieinversion

depopulationpompage

optiquemilieu actif

L’onde incidente est donc … par

émission stimulée.

Milieu actif

Après pompage

Après émission stimulée

amplifiée

Doc. 6 : cavité résonante du laser

Pompage

Cavité résonante de longueur L

Miroir concave

MiroirSemi-

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 × (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

oscillateurconstructiv

es

L’énergie fournie par le pompage

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)

2.2. Propriétés et applications de la lumière laser

Le faisceau émis est :

- …

- …

Certains lasers émettent …