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Vidéo de question : Identification de la structure des niveaux d’énergie dans le milieu actif d’un laser Physique

Laquelle des figures suivantes représente le mieux la structure des niveaux d’énergie des électrons des atomes situés dans le milieu actif d’un laser ? [A] Figure A [B] Figure B [C] Figure C [D] Figure D

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Transcription de vidéo

Laquelle des figures suivantes représente le mieux la structure des niveaux d’énergie des électrons des atomes situés dans le milieu actif d’un laser ?

Parmi les quatre propositions de réponse, pour les deux premières (A) et (B), les niveaux d’énergie des électrons comprennent trois états d’énergie. Pour ces deux propositions, nous avons un état métastable, un état excité et un état fondamental. En revanche, pour les propositions (C) et (D) les niveaux d’énergie des électrons comprennent seulement deux états. Dans l’option (C), nous avons un état excité et un état fondamental et dans l’option (D), un état métastable et un état fondamental.

L’une de ces quatre propositions représente correctement les niveaux d’énergie des électrons des atomes situés dans le milieu actif d’un laser. Cette information est importante car elle nous indique que les électrons de ces niveaux d’énergie doivent atteindre ce qu’on appelle une inversion de population. Une inversion de population se produit quand il y a plus d’électrons dans un niveau d’énergie situé au-dessus de l’état fondamental qu’il y en a dans l’état fondamental. Cela s’appelle une inversion parce que les électrons ont normalement tendent à retourner à l’état fondamental.

Alors regardons les propositions de réponse en commençant par celles qui n’ont que deux niveaux d’énergie. Considérons la proposition (C), imaginons que nous avons un atome dont les électrons se trouvent à l’état fondamental. C’est une hypothèse classique car, comme nous l’avons mentionné, les électrons ont normalement tendance à retourner à l’état fondamental, qui est le niveau d’énergie le plus bas. La seule manière pour qu’un électron quitte l’état fondamental, c’est qu’il reçoive de l’énergie, par exemple, s’il absorbe un photon qui contient la quantité exacte d’énergie nécessaire pour faire passer un électron à un état excité.

Dans ce système à deux niveaux, une fois qu’un électron est à l’état excité, il peut soit y rester, soit revenir à l’état fondamental. Sur des échelles de temps même très courtes, il est beaucoup plus probable que l’électron revienne spontanément à l’état fondamental. Autrement dit, les électrons ne restent généralement pas longtemps dans des états excités. Même si cet électron vient de passer à l’état excité, il est très probable qu’il revienne rapidement à l’état fondamental. Et selon ce modèle, qui est vrai pour tous les électrons à l’état fondamental, il est donc très peu probable qu’une inversion de population se produise. Un système à deux niveaux, avec un état fondamental et un état excité, est donc une configuration peu probable pour le milieu actif d’un laser.

Regardons ensuite la proposition (D), nous pouvons voir que nous avons également deux niveaux d’énergie. Mais le niveau d’énergie le plus élevé est un état métastable. Le terme « métastable » signifie que si nous avons un atome avec un certain nombre d’électrons à l’état fondamental et que l’un de ces électrons absorbe un photon ayant exactement la bonne fréquence, cet électron va passer à l’état métastable et il aura tendance à y rester. Un état métastable est donc différent des autres états excités. Si les électrons peuvent rester à ce niveau d’énergie, à cet état métastable, nous sommes sur la bonne voie pour arriver à une inversion de population.

Mais, il y a un point à garder en tête. Quand un photon arrive sur un atome avec la quantité exacte d’énergie nécessaire pour faire passer un électron de l’état fondamental à l’état métastable, cela signifie que le photon a aussi juste la quantité exacte d’énergie pour faire revenir cet électron à l’état fondamental. Lors de cette transition, l’électron va émettre un photon identique à celui à l’origine de son mouvement. Cela pose un problème pour arriver à une inversion de population. Un photon incident qui peut faire passer un électron de l’état fondamental à l’état métastable est également capable de faire repasser un électron de l’état métastable à l’état fondamental. Pour cette raison, la configuration à deux niveaux que nous avons dans la proposition (D) n’est pas une option envisageable pour arriver à une inversion de population et ainsi créer un laser.

Regardons ensuite la proposition (A), nous avons un système à trois niveaux. Si nous imaginons de nouveau un certain nombre d’électrons à l’état fondamental, il y a maintenant la possibilité qu’un photon incident fasse passer un électron de l’état fondamental à l’état excité ou qu’un photon incident, avec une énergie plus élevée, fasse passer un électron de l’état fondamental à l’état métastable. À ce point, nous pouvons voir que certains problèmes vont se poser comme dans les propositions (C) et (D). En effet, il est peu probable qu’un électron à l’état excité reste longtemps à ce niveau.

Il est plus probable qu’il revienne rapidement à l’état fondamental. C’est ce qui arrive aux électrons à l’état métastable, comme expliqué auparavant. Si un photon incident possède la quantité exacte d’énergie nécessaire pour faire passer un électron de l’état fondamental à l’état métastable, alors il a également la quantité d’énergie nécessaire pour faire repasser un électron de l’état métastable à l’état fondamental.

Mais avec ce système à trois niveaux, nous pouvons envisager le cas où un électron se trouve à l’état excité et un autre à l’état métastable. Dans ce cas, n’est-il pas possible d’avoir des photons ayant la quantité d’énergie nécessaire pour faire passer les électrons de l’état excité à l’état métastable ? Et c’est en effet possible. Comme nous l’avons vu précédemment, les électrons à l’état excité ont tendance à revenir rapidement à l’état fondamental. Cela signifie qu’il est beaucoup plus probable qu’un électron à l’état excité retourne à l’état fondamental plutôt qu’il absorbe un photon et passe à l’état métastable. Même avec ces trois niveaux, il est peu probable que ce système permette de créer une inversion de population et donc qu’il puisse créer un laser.

Mais maintenant, regardons la proposition (B). Nous avons encore une fois trois niveaux d’énergie, mais maintenant l’état excité est supérieur à l’état métastable. Pour comprendre la différence, imaginons à nouveau que nous avons un atome avec des électrons à l’état fondamental. Si l’un de ces électrons absorbe un photon et passe à l’état métastable, nous allons rencontrer le même problème que précédemment, c’est-à-dire que les photons ayant cette quantité d’énergie vont être absorbés et faire passer électron de l’état fondamental à l’état métastable. Mais ils peuvent également faire repasser un électron de l’état métastable vers l’état fondamental. Cette logique ne permet pas de créer l’inversion de population dont nous avons besoin.

Mais si nous avons un photon incident arrivant sur un électron à l’état fondamental et qui possède assez d’énergie pour faire passer cet électron vers l’état excité, alors nous avons quelque chose d’intéressant car cet électron à l’état excité va rapidement repasser à un niveau d’énergie inférieur. Mais dans ce cas, le niveau d’énergie le plus accessible est l’état métastable. L’électron va donc rester relativement longtemps dans cet état. Et si on utilise des photons avec cette même quantité d’énergie qui permet de faire passer les électrons de l’état fondamental à l’état excité, alors le problème de faire repasser les électrons de l’état métastable à l’état fondamental par accident ne se pose plus. Au contraire, nous avons ici un bon système pour remplir l’état métastable.

Avec cette approche, nous pouvons donc créer une inversion de population. C’est la condition nécessaire pour le fonctionnement d’un laser. C’est donc la proposition de réponse (B) qui représente le mieux la structure des niveaux d’énergie des électrons des atomes situés dans le milieu actif d’un laser.

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