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Vidéo de question : Identifier l’effet de la lumière cohérente sur une cavité résonnante Physique

Considérons deux lasers identiques. L’énergie est transférée à l’un des lasers pour que le laser émette une lumière cohérente. La lumière cohérente est dirigée dans la cavité résonnante de l’autre laser. Lequel des énoncés suivants décrit le mieux l’effet de la lumière cohérente sur les atomes du milieu actif du laser dans lequel la lumière est dirigée ? [A] Les électrons à l’état fondamental passent à un état excité puis se désintègrent à l’état fondamental. [B] Les électrons à l’état fondamental passent à un état excité, puis se désintègrent à un état métastable, puis se désintègrent à l’état fondamental. [C] Les électrons à l’état fondamental passent à un état métastable puis se désintègrent à l’état fondamental.

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Transcription de vidéo

Considérons deux lasers identiques. L’énergie est transférée à l’un des lasers pour que le laser émette une lumière cohérente. La lumière cohérente est dirigée dans la cavité résonnante de l’autre laser. Lequel des énoncés suivants décrit le mieux l’effet de la lumière cohérente sur les atomes du milieu actif du laser dans lequel la lumière est dirigée ? (A) Les électrons à l’état fondamental passent à un état excité puis se désintègrent à l’état fondamental. (B) Les électrons à l’état fondamental passent à un état excité, puis se désintègrent à un état métastable, puis se désintègrent à l’état fondamental. Ou les électrons (C) à l’état fondamental passent à un état métastable, puis se désintègrent à l’état fondamental.

Avant de commencer à répondre à cette question, décrivons le scénario qui nous a été donné. Nous avons deux lasers identiques. La lumière cohérente du premier laser est dirigée vers la cavité résonnante de l’autre laser, ce qui signifie que le premier laser agit comme une source d’énergie. Nous devons déterminer comment la lumière cohérente du premier laser affecte les électrons du milieu actif du deuxième laser.

Commençons par réfléchir à ce qui se passe dans le milieu actif du premier laser. Le milieu actif d’un laser a trois niveaux d’énergie : un état fondamental, un état métastable et un état excité. Étiquetons les énergies de chacun de ces états. Nous dirons que l’état fondamental correspond à une énergie 𝐸 f, l’état métastable correspond à une énergie 𝐸 m, et l’état excité correspond à une énergie 𝐸 e.

La plupart des électrons vont commencer à l’état fondamental. Une source d’énergie externe peut être utilisée pour exciter les électrons en fournissant des photons au milieu actif. Si un électron absorbe un photon d’exactement la bonne énergie, il peut être excité à un état plus élevé. Habituellement, les électrons dans un laser passent de l’état fondamental à l’excitation, sans passer par l’état métastable. Cela se produit si l’électron absorbe un photon d’une énergie égale à la différence entre l’état excité et l’état fondamental, 𝐸 e moins 𝐸 f.

Un électron dans un état excité a une durée de vie très courte, ce qui signifie qu’il se désintégrera vite de manière spontanée jusqu’à l’état suivant, l’état métastable. Cette décroissance spontanée provoque la libération d’un photon, dont l’énergie est égale à la différence entre ces deux niveaux d’énergie, 𝐸 e moins 𝐸 m.

Cependant, les photons produits par émission spontanée ne sont pas utiles pour produire de la lumière laser. La phase et la direction de ces photons sont aléatoires, ce qui signifie que ces photons ne s’additionnent pas pour produire un faisceau laser puissant. Cependant, une fois que l’électron est à l’état métastable, il y restera longtemps, assez longtemps pour que l’émission stimulée se produise.

L’émission stimulée est le moment où un photon traversant le milieu actif interagit avec l’électron et amène l’électron à émettre un autre photon et à se désintégrer à un niveau d’énergie inférieur. Le photon émis a la même énergie, la même phase et la même direction que le photon qui a provoqué l’émission. Parce que cela se produit lorsque l’électron passe de l’état métastable à l’état fondamental, les photons doivent avoir une énergie égale à la différence entre les énergies de ces deux états, 𝐸 m moins 𝐸 f.

Si de nombreuses émissions stimulées se produisent dans le milieu, nous nous retrouvons avec un grand nombre de photons identiques, qui ensemble peuvent former un faisceau puissant de lumière laser. Tous les photons du faisceau produit par le premier laser auront une énergie de 𝐸 m moins 𝐸 g.

Maintenant, réfléchissons à ce qui se passe à l’intérieur du deuxième laser. Nous savons que ce laser est identique au premier, donc le milieu actif aura les mêmes niveaux d’énergie qu’avant. Encore une fois, notre électron commence à l’état fondamental. Cette fois, cependant, le faisceau du premier laser est dirigé vers le milieu actif. Cela signifie que beaucoup de photons, qui ont tous une énergie de 𝐸 m moins 𝐸 f, vont se déplacer dans le milieu actif. Que se passe-t-il lorsqu’un électron à l’état fondamental absorbe un de ces photons ?

Eh bien, au départ, l’électron a une énergie 𝐸 f. Quand il absorbe le photon, son énergie devient 𝐸 f plus l’énergie du photon, ce qui lui donne une énergie totale de 𝐸 f plus 𝐸 m moins 𝐸 f. Cela se simplifie en 𝐸 m, l’énergie de l’état métastable. Ainsi, lorsqu’un électron à l’état fondamental absorbe un photon du premier laser, il passe à l’état métastable. L’électron peut alors rester à l’état métastable jusqu’à ce qu’un autre photon provoque une émission stimulée, comme nous l’avons vu pour le premier laser. Tout comme avant, l’électron émettra un photon d’énergie 𝐸 m moins 𝐸 f et se désintégrera à l’état fondamental.

Donc, résumons ce qui arrive aux électrons dans le milieu actif du deuxième laser. Un électron commence à l’état fondamental, absorbe un photon, passe à l’état métastable, puis émet un photon et redescend à l’état fondamental.

Nous sommes maintenant prêts à répondre à cette question. Passons en revue les options de réponse. Nous pouvons exclure (A) et (B) car les électrons du deuxième laser n’atteignent jamais l’état excité. Ils n’entrent jamais en contact avec des photons d’une énergie suffisamment élevée pour que cela soit possible. Au lieu de cela, les électrons à l’état fondamental passent à un état métastable puis se désintègrent à l’état fondamental, comme décrit dans l’option (C). Donc, la réponse (C) est la bonne réponse à cette question.

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