Fiche explicative de la leçon : Composants et fonctionnement des lasers Physique

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons à décrire les fonctions des différents composants d’un laser.

Les lasers nous permettent d’utiliser l’énergie des émissions d’électrons pour produire des faisceaux de lumière. Le mot « laser » est un acronyme anglais pour « amplification de la lumière par émission stimulée de radiations ». Ce nom nous en dit long sur le fonctionnement des lasers: le rayonnement lumineux est produit par émission stimulée puis amplifié.

Les lasers sont composés de trois éléments principaux:

  1. Le milieu actif
  2. La source d’énergie
  3. La cavité résonnante

Pour comprendre le fonctionnement des lasers, nous pouvons examiner chacun de ces composants tour à tour.

Le milieu actif est un matériau constitué d’atomes, qui fournissent les électrons pour l’émission de rayonnements. Les électrons dans le matériau actif peuvent avoir différentes énergies, en fonction des niveaux d’énergie permis par le matériau. La plupart du temps, les électrons existeront à l’état fondamental, qui est le niveau d’énergie le plus bas. Mais un électron peut être excité à un niveau d’énergie plus élevée par un photon incident si l’énergie du photon est égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux.

Pour produire de la lumière laser, nous devons avoir nos électrons dans un niveau d’énergie excité. L’énergie nécessaire pour faire transiter les électrons du niveau fondamental à l’état excité est fournie par la source d’énergie. Lorsqu’un électron est dans un état excité, un photon incident peut provoquer une émission stimulée de l’électron, où il libère un photon et descend à un niveau d’énergie inférieure. Le photon émis aura la même énergie, le même sens et la même phase que le photon qui a provoqué l’émission. Cela signifie que ces deux photons peuvent contribuer à un faisceau de lumière laser.

Exemple 1: Production de photons dans les lasers

Les schémas illustrés représentent trois étapes successives de la production de photons dans un laser.

  1. Sur quel schéma de l’énergie est-elle fournie au milieu actif du laser?
  2. L’énergie fournie au milieu actif du laser est constituée de photons avec une gamme de longueurs d’onde. Quelle proportion des photons sur le schéma donne une émission stimulée dans le laser?
    1. 33
    2. 23
    3. 13
  3. Combien de photons sont produits par le procédé laser sur les schémas?

Réponse

Partie 1

De l’énergie est en train d’être fournie dans le schéma I. Le schéma I illustre trois photons, fournis par la source d’énergie, interagissant avec les électrons du milieu actif. Il s’agit de la première étape du processus laser, et il est nécessaire afin d’établir une inversion de population.

Partie 2

Le schéma I illustre trois photons, fournis par la source d’énergie, interagissant avec les électrons dans le milieu actif. Les atomes supérieur et inférieur absorbent les photons et deviennent excités. Cependant, l’atome du milieu subit une émission stimulée; il produit un autre photon, identique au photon qui a provoqué l’émission.

Nous avons trois photons entrants, et un seul provoque une émission stimulée. Par conséquent, la réponse est 13.

Partie 3

Le schéma I montre trois photons entrants. Deux d’entre eux sont absorbés, ce qui signifie qu’il reste un photon. Ce photon provoque l’émission stimulée d’un deuxième photon identique. Ainsi, la réponse est 2 photons.

Pour produire de la lumière laser, nous devons avoir la plupart de nos électrons dans un état excité. Nous appelons cela une « inversion de population », car c’est le contraire de la manière dont les électrons sont habituellement disposés dans un matériau. Normalement, le plus d’électrons possible constitueront la population (rempliront) l’état fondamental. Mais ici, nous avons la situation inverse, car nous utilisons notre source d’énergie pour augmenter l’énergie des électrons.

Cependant, si nous avons seulement deux niveaux d’énergie dans notre système, une émission stimulée est très peu probable. En effet, un électron excité revient naturellement vers l’état d’énergie inférieure, par un processus appelé émission spontanée. L’émission spontanée se produit si rapidement qu’un électron ne reste dans l’état d’énergie excité que pendant environ 10 ns. Comme ce processus est si rapide, il est peu probable qu’un photon incident d’énergie correcte atteigne l’électron excité et provoque une émission stimulée avant que l’électron ne revienne à l’état fondamental.

Tout comme l’émission stimulée, l’émission spontanée produit des photons. Mais nous ne pouvons pas utiliser ces photons pour les lasers car ils ont tous des sens et des phases différentes. Cela signifie que les photons ne « s’additionnent » pas pour produire un faisceau laser puissant.

Pour nous assurer que l’émission stimulée se produise, nous devons choisir un matériau actif avec trois niveaux d’énergie. Nous avons toujours un état fondamental et un état excité, mais nous avons aussi besoin d’un troisième état entre eux. Nous appelons cela un état métastable. On peut penser à un état métastable comme étant « presque stable ». Un électron à l’état métastable y restera longtemps avant de finalement retomber à l’état fondamental. En fait, il restera à l’état métastable des milliers de fois plus longtemps qu’il ne restera à l’état excité.

Nous pouvons utiliser cette configuration à trois états pour produire de la lumière laser. Les électrons commenceront à l’état fondamental, puis la source d’énergie les excitera jusqu’à l’état excité. Ils vont ensuite rapidement se transformer et atteindre l’état métastable, où ils resteront pendant une longue durée. Ensuite, les photons incidents sur les électrons à l’état métastable vont provoquer l’émission stimulée de photons supplémentaires.

Par exemple, considérez le schéma suivant.

Un électron à l’état fondamental, avec comme énergie 𝐸, peut absorber un photon d’énergie 𝐸 et passer à l’état excité. L’électron redescend rapidement par émission spontanée, produisant un photon d’énergie 𝐸. L’électron est maintenant à l’état métastable, où il restera jusqu’à ce qu’il interagisse avec un photon d’énergie 𝐸. Cette interaction provoquera une émission stimulée de l’électron, libérant un autre photon d’énergie 𝐸, avec le même sens et la même phase que le photon incident. L’électron est maintenant de retour à l’état fondamental. Bien que ce processus produise des photons à deux énergies (𝐸 et 𝐸), la plus grande partie du rayonnement émis par le laser prendra la forme d’un photon d’énergie 𝐸 car ce sont les seuls photons produits par émission stimulée, par opposition à l’émission spontanée.

Exemple 2: Atomes excités dans différents milieux

Les schémas représentent des atomes dans deux milieux. Le milieu A a un état fondamental et un état excité, et le milieu B a des états fondamental, excité et métastable. Les photons qui excitent les atomes à l’état fondamental jusqu’à l’état excité sont fournis aux deux milieux. Dans les deux milieux, les atomes excités libèrent des photons lorsqu’ils passent à un état d’énergie inférieure.

  1. L’intervalle de temps moyen nécessaire pour que des atomes soient excités de l’état fondamental à un état d’énergie plus élevée est Δ𝑡. L’intervalle de temps moyen nécessaire pour que les atomes redescendent à l’état fondamental à partir d’un état d’énergie plus élevée est Δ𝑡. Dans quel milieu Δ𝑡<Δ𝑡?
    1. le milieu A
    2. le milieu B
    3. les deux milieux
  2. À mesure que l’énergie est fournie aux milieux, lequel d’entre eux aura plus d’atomes à des niveaux d’énergie plus élevées qu’à l’état fondamental?
    1. le milieu A
    2. le milieu B
    3. les deux milieux
  3. Dans quelles conditions un milieu subit-il une inversion de population?
    1. lorsqu’il y a plus d’atomes dans les états excités qu’il n’y en a dans l’état fondamental
    2. lorsque tous les atomes du milieu sont ionisés
    3. lorsqu’aucun des atomes du milieu n’est à l’état métastable
    4. lorsque l’énergie de l’état excité est égale à l’énergie de l’état métastable
    5. lorsqu’il y a moins d’atomes dans les états excités qu’il n’y en a dans l’état fondamental
  4. Lorsqu’un milieu subit une inversion de population, dans quel état d’énergie la plupart des atomes excités se trouvent-ils?
    1. l’état métastable
    2. l’état excité
    3. Il y a à peu près le même nombre d’atomes à l’état excité qu’à l’état métastable.

Réponse

Partie 1

Pour qu’un atome passe de l’état fondamental à un état d’énergie plus élevée, il doit absorber un photon d’énergie égale à la différence entre les deux états d’énergie. Ainsi, un atome doit attendre qu’il soit frappé par un photon d’énergie correcte avant de s’exciter. Le temps nécessaire au bon photon pour arriver est de Δ𝑡, et cela représente souvent une assez longue durée.

Pour qu’un atome descende d’un état supérieur à un état inférieur, il doit émettre un photon d’énergie égale à la différence entre les deux états.

Dans le milieu A, il y a seulement un état fondamental et un état excité. Une fois qu’un atome a atteint l’état excité, il ne le restera que pendant environ 10 ns, avant de subir une émission de photons spontanée et de redescendre à l’état fondamental. La durée nécessaire pour que ce processus se produise est Δ𝑡. Parce que l’émission spontanée se produit si vite, dans le milieu A, Δ𝑡<Δ𝑡.

Dans le milieu B, il y a un état fondamental, un état excité et un état métastable. Un atome à l’état excité redescendra très rapidement à l’état métastable par émission spontanée.

Un atome à l’état métastable peut atteindre l’état fondamental en subissant une émission spontanée, mais parce que cet état est si stable, ce processus prend beaucoup de temps. L’atome peut également atteindre l’état fondamental par émission stimulée, mais il doit attendre le lancement d’un photon d’énergie correcte. Cela peut aussi prendre beaucoup de temps.

Dans le milieu B, Δ𝑡 est le temps nécessaire pour qu’un atome redescende de l’état excité à l’état métastable, puis de l’état métastable à l’état fondamental. Parce que la transition de l’état métastable à l’état fondamental prend tant de temps, dans le milieu B, Δ𝑡<Δ𝑡.

Ainsi, la réponse est le milieu B.

Partie 2

Lorsqu’il n’y a pas de source d’énergie externe, les atomes d’un milieu ont tendance à exister au niveau d’énergie le plus bas possible. Ainsi, la plupart des atomes seront à l’état fondamental.

Nous pouvons faire transiter des atomes de l’état fondamental à des niveaux d’énergie plus élevée en fournissant de l’énergie qui excite l’atome.

Dans le milieu A, il n’y a pas d’état métastable. Cela signifie qu’un atome excité redescendra à l’état fondamental très rapidement.

Dans le milieu B, l’état métastable signifie que les atomes excités peuvent rester à des niveaux d’énergie plus élevée pendant beaucoup plus longtemps.

Ainsi, pour une entrée d’énergie donnée, il est beaucoup plus facile de maintenir des atomes dans le milieu B à des niveaux d’énergie plus élevée que dans le milieu A. Cela signifie que le milieu B aura tendance à avoir plus d’atomes à des niveaux plus élevés que l’état fondamental.

Partie 3

Lorsqu’aucune énergie externe n’est fournie, les atomes d’un milieu existent, par défaut, à l’état d’énergie le plus bas possible. Ainsi, les atomes rempliront normalement, ou « peupleront », le niveau d’énergie le plus bas possible. Les atomes remplissent l’état fondamental en premier et ne commencent à peupler les niveaux supérieurs que lorsque l’état fondamental est plein.

Mais dans les lasers, nous avons besoin que des atomes remplissent des niveaux d’énergie plus élevée et laissent l’état fondamental aussi vide que possible. En effet, les lasers ont besoin d’atomes dans des états excités qui redescendent vers des niveaux plus bas en produisant des photons.

Nous appelons cela « l’inversion de population », car c’est le contraire de la manière dont les atomes peuplent normalement les niveaux d’énergie d’un milieu. Ainsi, la réponse est A, où il y a plus d’atomes dans les états excités qu’il n’y en a dans l’état fondamental.

L’ionisation de l’atome est sans importance, car cela change simplement le nombre d’électrons dans chaque atome.

Si aucun des atomes n’était à l’état métastable, tous les atomes seraient à l’état fondamental ou à l’état excité. Si la plupart des atomes étaient à l’état excité, il s’agirait techniquement d’une inversion de population, mais comme l’émission spontanée se produit si rapidement, cela ne pourrait pas durer très longtemps.

Si l’énergie de l’état excité était égale à l’énergie de l’état métastable, nous n’aurions que deux niveaux d’énergie distincts, ce qui signifie qu’une inversion de population ne pourrait pas se produire.

Partie 4

La plupart des atomes d’énergie supérieure seront à l’état métastable.

Un atome à l’état excité le plus élevé redescendra très rapidement à l’état métastable par émission spontanée, de sorte que les atomes ne restent pas à l’état excité très longtemps. Mais une fois qu’un atome atteint l’état métastable, il y restera très longtemps. Cela signifie que la plupart des atomes d’énergie supérieure se rassembleront à l’état métastable.

Les photons libérés par un processus d’émission stimulée peuvent interagir avec d’autres électrons excités, provoquant ainsi davantage d’émissions stimulées. Cela produit un grand nombre de photons d’énergie, de phase et de sens identiques, qui forment un faisceau laser.

Cependant, il est également possible pour un photon de passer à travers le milieu actif sans interagir avec des électrons. Dans ce cas, l’émission stimulée ne se produit pas, et nous ne pouvons pas produire de rayon laser. Pour résoudre ce problème, nous utilisons une cavité résonnante. Pour construire la cavité résonnante, nous plaçons simplement des miroirs tout autour du milieu actif. La plupart d’entre eux devraient être des miroirs totaux, ce qui signifie qu’ils réfléchissent chaque photon qui les heurte, mais l’un d’eux doit être un miroir partiel, ce qui signifie qu’il permet à certains photons de passer à travers.

Si un photon passe à travers le milieu actif sans provoquer d’émission stimulée, il atteindra le miroir à l’extrémité et sera réfléchi. Cela signifie que le photon traversera à nouveau le milieu actif et aura une autre chance d’interagir avec un électron. Lorsque le photon interagit finalement avec un électron, il stimulera l’émission d’un autre photon, qui peut également être réfléchi dans les deux sens jusqu’à ce qu’il provoque une autre émission de photons. En réfléchissant les photons dans les deux sens à travers le milieu actif, nous produisons de plus en plus de photons au total, créant un faisceau laser plus intense. Ce processus s’appelle l’amplification. Les photons qui parviennent à passer à travers le miroir partiel sont ce que nous voyons comme une lumière laser.

Exemple 3: Cavités de résonance

L’une des faces réfléchissantes de la cavité résonante d’un laser ne doit pas être totalement réfléchissante pour que le laser soit efficace. Laquelle des affirmations suivantes explique pourquoi c’est le cas?

  1. Si toutes les faces de la cavité résonante sont également réfléchissantes, des ondes lumineuses se déplaçant selon des sens opposés à travers la cavité interfèrent de manière destructrice.
  2. L’énergie ne peut pas être émise par la cavité résonnante si toutes ses faces sont totalement réfléchissantes.
  3. L’énergie externe ne peut pas être fournie à la cavité résonnante si toutes ses faces sont totalement réfléchissantes.
  4. Une lumière cohérente ne peut pas être émise par la cavité résonnante si toutes ses faces sont totalement réfléchissantes.
  5. Toutes les raisons données sont vraies.

Réponse

La réponse est D, une lumière cohérente ne peut pas être émise par la cavité résonnante si toutes ses faces sont totalement réfléchissantes.

La cavité résonante emploie des miroirs pour réfléchir les photons dans les deux sens à travers le milieu actif afin d’augmenter les chances qu’un photon provoque une émission stimulée. Mais si toutes les faces de la cavité résonnante étaient totalement réfléchissantes et ne permettaient à aucun photon de passer à travers, nous ne pourrions voir aucun des faisceaux laser que nous avions produits. Ainsi, l’une des faces ne doit être que partiellement réfléchissante pour que notre faisceau laser puisse passer à travers la cavité résonnante.

Notez qu’il n’y a pas d’interférence destructrice. La cavité résonnante est conçue pour avoir une certaine longueur, de sorte que des ondes stationnaires sont produites dans la cavité, empêchant les interférences destructives.

La source d’énergie ne fournit pas d’énergie en transmettant directement des photons de haute énergie. Au lieu de cela, elle prend généralement la forme d’une source d’alimentation électrique, qui pourrait être appliquée même si tous les miroirs étaient parfaitement réfléchissants.

Points clés

  • Les lasers utilisent l’émission stimulée de photons pour produire des faisceaux de lumière.
  • Le milieu actif d’un laser a besoin de trois niveaux d’énergie: un état fondamental, un état métastable et un état excité.
  • Une source d’énergie est nécessaire pour créer une inversion de population dans le milieu actif, où plus d’électrons sont dans des états excités que dans l’état fondamental.
  • Une cavité résonnante, constituée de miroirs placés de chaque côté du milieu actif, amplifie le faisceau de lumière laser.

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