Vidéo de la leçon: Les composants et le fonctionnement des lasers Physique

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous traitons des composants et du fonctionnement des lasers. Aussi compliqué qu’ils puissent paraître, tous les lasers se composent essentiellement de trois éléments. Dans cette leçon, nous parlerons de ces éléments et de leur fonctionnement, et nous verrons également comment ils sont combinés pour créer une lumière laser.

Alors, nous avons mentionné que chaque laser a trois éléments de base. Voici leurs noms. Il y a ce qu’on appelle un milieu actif, qui fournit le matériau - les atomes - dont les transitions électroniques sont une partie nécessaire du processus laser. Et deuxièmement, tous les lasers ont une source d’énergie, souvent appelée pompe. C’est ce qui fournit de l’énergie au milieu actif. Et enfin, le troisième composant essentiel d’un laser s’appelle la cavité résonnante. Comme nous le verrons plus loin, c’est cette cavité qui permet l’amplification de la lumière laser. Voyons maintenant ces trois composantes un peu plus en profondeur.

Nous allons commencer avec le milieu actif. Le milieu actif d’un laser est un certain matériau. Et cela pourrait être un solide, comme nous l’avons schématisé ici, ou un liquide ou un gaz dont les atomes ont des niveaux d’énergie bien adaptés à la production de lumière laser. Voici ce que nous entendons par cela. Admettons que les atomes qui composent notre milieu actif possèdent deux niveaux d’énergie - nous les avons appelés 𝐸 un et 𝐸 deux - que les électrons de ces atomes peuvent occuper. Alors, l’état naturel, comme nous pourrions l’appeler, des électrons dans n’importe quel atome est d’occuper le niveau d’énergie disponible le plus bas possible.

Si nous ne faisons rien pour modifier ce système, c’est-à-dire si nous ne n’y ajoutons aucune énergie, alors les électrons resteront là où ils sont. Mais s’ils font cela, alors nous ne pourrons jamais fabriquer un laser. En effet, le rayonnement laser nécessite qu’un électron soit dans un état excité, tout comme celui-ci. Et puis qu’un photon avec juste la bonne quantité d’énergie vienne stimuler cet électron pour qu’il revienne à son niveau d’énergie inférieur. Lors de ce processus, l’électron émet un photon essentiellement identique à celui qui l’a frappé avant. Ce processus s’appelle émission stimulée de rayonnement, et c’est un aspect essentiel de la création de la lumière laser.

Donc, pour que tout cela fonctionne, pour créer un laser, nous avons besoin que la majorité des électrons de notre système occupent un état d’énergie excité par rapport à l’état fondamental. Il y a cependant un obstacle à la réalisation de cet objectif. Admettons que nous ajoutons de l’énergie à notre système et, ce faisant, nous pouvons avoir deux électrons au niveau d’énergie excité. Il s’avère qu’une fois excités, les électrons subiront une désintégration– ainsi l’appelle-t-on – pour revenir à leur état d’énergie initial inférieur. En fait, il s’agit d’un phénomène si bien décrit que nous connaissons même le temps approximatif qu’un électron passera dans son état excité avant de se désintégrer. Ce n’est qu’environ 10 milliardièmes de seconde.

Cela signifie que pour créer une lumière laser à partir de ces deux électrons, nous n’avons qu’une fenêtre de temps d’environ 10 nanosecondes pour qu’un photon avec le bon niveau d’énergie vienne stimuler l’émission. En général, ce n’est tout simplement pas assez de temps. Donc, plutôt que d’interagir avec un photon incident, il est beaucoup plus probable que ces électrons reviennent spontanément à leur niveau d’origine. Ce faisant, ils émettent des photons, mais pas des photons qui peuvent contribuer à un faisceau laser. Pour qu’un matériau donné constitue un bon milieu actif pour un laser, les atomes du matériau doivent avoir plus de deux niveaux d’énergie possibles pour les électrons.

Cependant s’il y a trois niveaux, comme nous le voyons ici, avec 𝐸 trois inférieur à 𝐸 deux mais supérieur à 𝐸 un, alors il est possible d’utiliser cette structure atomique pour créer un laser. En fait, le tout premier laser développé en 1960 avait une structure atomique à trois niveaux, comme celle-ci. Si les atomes de notre milieu actif ont ce type de structure, voici comment fonctionne le système. Tout comme avant, nous commençons avec tous les électrons de ce système à l’état d’énergie le plus bas. Mais alors, en utilisant notre source d’énergie, également appelée pompe, nous élevons un certain nombre de ces électrons pour qu’ils occupent le niveau 𝐸 deux, ce que nous appelons l’état excité.

Comme nous l’avons vu, les électrons ne restent pas dans cet état longtemps. Désormais quand ils se désintègrent spontanément, au lieu de revenir à ce niveau d’énergie le plus bas, appelé état fondamental, ils passent plutôt à ce niveau d’énergie intermédiaire. Et pourtant, il y a une caractéristique très importante que ce niveau d’énergie, 𝐸 trois, possède. Contrairement à l’état fondamental et à l’état excité, ce niveau est connu sous le nom d’état métastable. Ce nom vient du fait que lorsqu’un électron occupe ce niveau, il a tendance à y rester pendant un certain temps. La durée de vie, on pourrait dire, d’un électron dans cet état est beaucoup plus longue que 10 nanosecondes. En fait, elle peut être mille, voire un million de fois plus long que cela. Ainsi, lorsque les électrons sont dans un état métastable, ils sont beaucoup plus disponibles pour interagir avec le rayonnement incident. Et lorsque cela se produit, une émission stimulée peut avoir lieu.

Avant d’aller plus loin, notons cependant que dans notre système actuel, il y a plus d’électrons dans un état d’énergie excitée, notre état métastable, qu’il y en a à l’état fondamental. Cela ne pourrait pas se produire si nous n’introduisions pas d’énergie dans notre milieu actif via notre pompe, car comme nous l’avons mentionné précédemment, le niveau que les électrons occupent par défaut dans un atome est l’état fondamental. Il y a un nom spécifique pour tout système atomique où plus d’électrons sont excités que ne sont dans l’état fondamental. Lorsque cela se produit, cela s’appelle une inversion de population. Ce mot « population » fait référence à tous les électrons du système, et « inversion » nous indique que la façon dont les choses se déroulent normalement a été inversée.

Les électrons à l’état fondamental sont généralement plus nombreux que les électrons à l’état excité. Mais en introduisant de l’énergie dans notre milieu actif, nous sommes en mesure d’inverser ce scénario typique. L’inversion de la population est un aspect nécessaire lors de la création d’un laser. Rappelez-vous que nous n’avions pas pu créer cette inversion lorsque nous avions juste un système à deux niveaux avec un état fondamental et un état excité. Parce qu’après avoir été excités, les électrons se sont rapidement désintégrés à l’état fondamental. Mais maintenant que nous avons un système à trois niveaux avec un état métastable, une inversion de population est possible.

Alors, ces électrons dans notre état métastable sont de bons candidats pour interagir avec les photons incidents, provoquant le retour d’un électron à l’état fondamental, et, ce faisant, provoquant l’émission d’un photon de phase, de sens et de fréquence identiques à celui qui a stimulé sa transition. Ces photons sont alors capables d’interagir avec d’autres électrons à l’état métastable, conduisant à de nouveaux événements d’émission stimulée. Nous commençons donc à voir à très petite échelle comment produire de la lumière laser.

Si nous pensons cependant au milieu actif de notre laser à l’échelle macroscopique, nous pouvons commencer à voir que la probabilité qu’un photon qui a pile la bonne fréquence soit incident sur l’un de ces atomes excités peut être assez petite. Autrement dit, il est possible qu’un tel photon passe à travers le milieu actif sans interagir avec un seul électron. C’est là que le troisième composant de notre laser, la cavité résonnante, entre en jeu.

Le but de la cavité résonnante est de contenir le milieu actif avec essentiellement deux grands miroirs à chaque extrémité. Donc, en réalité, l’une de ces extrémités est en fait un miroir parfait, reflétant à 100 pour cent la lumière incidente sur lui, tandis que l’autre extrémité est un miroir partiel, réfléchissant plus de 90 pour cent de la lumière qui l’atteint, mais laissant passer le reste. Alors, pour ce photon qui, nous l’avons dit, a exactement la bonne fréquence pour stimuler une transition électronique de 𝐸 trois à 𝐸 un – même si lors de son premier passage, il n’a rencontré aucun de ces électrons excités – le miroir partiel est susceptible de le renvoyer là d’où il est venu pour un nouveau passage. Et si sur ce passage, il ne rencontre pas d’électrons excités, il sera simplement réfléchi par le miroir à l’autre extrémité de la cavité résonnante.

Si nous envoyons un photon avec la bonne fréquence faire des allers-retours à travers notre milieu actif, il interagira au bout d’un certain temps avec un électron à l’état métastable d’un atome, stimulera l’émission d’un photon identique, puis ces deux photons continueront leur trajet dans ce sens. Au fur et à mesure que ce processus se poursuit, de plus en plus de photons sont ajoutés à ce qui devient un faisceau de lumière laser. Nous pouvons commencer à voir que dans cette partie centrale de notre milieu actif, de plus en plus de lumière laser sera produite et rebondira le long de ce chemin. Comme nous l’avons mentionné, toute cette lumière n’est pas réfléchie lorsqu’elle atteint le miroir à l’extrémité droite de notre cavité, le miroir partiel. Et ce n’est que cette lumière qui n’est pas réfléchie, une petite fraction de la quantité totale, qui la traverse et qui devient le faisceau laser produit par notre laser.

Donc, pour reprendre ce processus, si nous commençons avec un milieu actif dont les niveaux d’énergie des électrons permettent un état excité, un état métastable, ainsi que l’état fondamental, puis en appliquant de l’énergie à ce milieu en utilisant notre pompe, nous pouvons élever la majorité des électrons hors de l’état fondamental. Et une fois qu’ils occupent un état métastable entre les états excités et fondamentaux, nous pouvons dire alors que nous avons obtenu une inversion de population. À ce stade, ces électrons sont prêts pour une émission stimulée par des photons incidents. Ces événements d’émission se produisent dans une cavité appelée cavité résonante, qui est essentiellement constituée de deux miroirs à chaque extrémité du milieu actif, qui est conçue pour renforcer toute l’émission stimulée de rayonnement.

Enfin, une fraction de ce rayonnement est transmise à travers le miroir partiel, et c’est le faisceau de lumière que nous pouvons détecter en provenance de notre laser. Sachant tout cela, entraînons-nous maintenant à travers un exemple.

Lequel des énoncés suivants décrit le mieux la qualité du milieu actif d’un laser qui est pertinente pour sa capacité à produire du laser? (A) Un milieu actif contient des atomes complètement ionisés. (B) Un milieu actif contient des atomes avec des noyaux instables. (C) Un milieu actif contient des atomes dans lesquels les électrons ont tendance à passer à des états plus excités au même taux qu’ils n’ont tendance à passer à des états moins excités. (D) Un milieu actif contient des atomes dans lesquels les électrons ont tendance à passer à des états plus excités à un taux plus élevé qu’ils n’ont tendance à passer à des états moins excités. (E) Un milieu actif contient des atomes dans lesquels les électrons ont tendance à passer à des états moins excités à un taux plus élevé qu’ils n’ont tendance à passer à des états plus excités.

D’accord, cette question concerne donc ce qu’on appelle le milieu actif d’un laser. Le milieu actif d’un laser peut être un solide, comme celui-ci, ou un liquide ou même un gaz. Mais dans tous les cas, le matériau du milieu actif est soigneusement choisi pour permettre la production de lumière laser. Parmi nos différents choix de réponse, nous voyons que certaines d’entre elles se réfèrent à ce qu’on appelle des états excités ainsi que des états moins excités. Ces états ont à voir avec la structure particulière des niveaux d’énergie des atomes qui composent le milieu actif.

Disons que nous représentons ces états d’énergie de cette façon. Cette droite-ci représentera le niveau d’énergie à l’état fondamental des atomes de notre milieu actif. Nous appellerons ce niveau 𝐸 indice f l’énergie de cet état fondamental. Et puis, admettons que cette ligne plus épaisse ici représente tous les états excités de notre atome ensemble. Donc, nous regroupons tous les états excités de nos atomes, et nous disons qu’ils ont une énergie appelée 𝐸 indice e. Alors, quand il s’agit d’électrons dans ce système, nous savons qu’un électron peut soit occuper l’état fondamental - c’est d’ailleurs la tendance naturelle des électrons - ou si de l’énergie a été ajoutée au système, alors un électron pourrait être monté à un niveau d’énergie excité.

Eh bien, un autre nom pour un niveau d’énergie fondamental est un niveau d’énergie naturel. Donc, si un électron monte comme ça, nous disons qu’il a été excité. Et si un électron passe d’un état excité à l’état fondamental, nous disons qu’il est devenu moins excité. Voilà donc le sens de ces termes « états plus excités » et « états moins excités » qui apparaissent dans certaines de nos choix de réponse. Pour que nous puissions voir nos cinq options de réponse sur le même écran, paraphrasons celles que nous avons vues à l’écran précédent. Il s’agit des options de réponse (C), (B) et (A).

L’option de réponse (C) est très similaire aux options (D) et (E), sauf que (C) dit qu’un milieu actif contient des atomes dans lesquels les électrons ont tendance à passer à des états moins excités au même taux de transition qu’ils ne passent à des états plus excités. Donc, notez que l’option (D) dit que les transitions vers les états plus excités se produisent à un taux plus élevé que celles vers les états moins excités, alors que (E) dit le contraire. Ce dernier dit que les transitions vers des états moins excités se produisent à un taux plus élevé que celles vers des états plus excités. Et puis, comme nous l’avons vu, (C) décrit un taux de transition vers des états plus et moins excités qui est le même dans les deux sens. C’était donc le choix de réponse (C).

Le choix de réponse (B) dit que le milieu actif d’un laser contient des atomes avec des noyaux instables. Et puis le tout premier choix de réponse, (A), dit que le milieu actif d’un laser contient des atomes complètement ionisés. Maintenant que nous avons tous ces éléments sur le même écran, revenons à notre esquisse de ces niveaux d’énergie dans les atomes qui composent le milieu actif.

Rappelons que nous cherchons à identifier la qualité du milieu actif qui est directement liée à sa capacité à produire un laser. Pour que cela se produise, nous savons que l’émission stimulée doit avoir lieu. Cela implique qu’un électron d’un niveau d’énergie excité interagit avec un photon incident. Si la fréquence, c’est-à-dire l’énergie de ce photon est la bonne, cette interaction peut stimuler l’électron à revenir à un état moins excité et, lors de ce processus, à émettre un photon avec une fréquence, une phase et un sens identiques à celles du photon d’origine. Ce processus, répété plusieurs fois, produit un faisceau de rayonnement cohérent caractéristique de la lumière laser.

Nous voyons alors que pour que les lasers se produisent, les électrons du milieu actif doivent être dans un état excité. Si ce n’était pas le cas - s’ils étaient plutôt à l’état fondamental comme ici -, alors lorsqu’un photon de bonne fréquence arrivait, au lieu de stimuler l’émission d’un autre photon identique, ce photon serait simplement absorbé puis propulserait l’électron à un état excité. Lorsque les électrons sont dans un état excité, ils peuvent être stimulés pour émettre un photon. Et ce photon émis s’ajoute au premier, alors que, d’un autre côté, si les électrons sont à l’état fondamental et qu’ils absorbent un photon, il y a une perte nette d’un photon dans ce processus. Tout cela pour dire que pour que le laser se produise, il doit y avoir ce qu’on appelle une inversion de population. C’est ce qui se produit lorsqu’il y a plus d’électrons dans des états excités que d’électrons à l’état fondamental.

Sachant cela, nous pouvons commencer à éliminer quelques-uns de nos choix de réponse. Tout d’abord, en considérant les options (A) et (B), un atome complètement ionisé n’a pas d’électrons liés, mais c’est bien des transitions faites par des électrons liés dont nous avons besoin pour créer un laser. Les atomes complètement ionisés sont donc incapables de fournir le milieu actif d’un laser. Nous allons donc éliminer le choix (A). Le choix (B) parle de noyaux instables dans notre milieu actif. Cette description indiquerait une désintégration nucléaire imminente sous forme de radioactivité. Mais ce processus ne contribue pas à la production de lumière laser. Il n’est pas nécessaire que les atomes de notre milieu actif aient des noyaux instables. Et en fait, nous préférons que non. Nous enlèverons donc également le choix (B) de notre liste.

En considérant les trois choix restants, nous pouvons voir qu’ils se ressemblent entre eux. Tous décrivent un taux de transition vers des états plus excités et vers des états moins excités et comparent ces taux. Pour déterminer laquelle de ces trois réponses est la meilleure, voici la question que nous pouvons nous poser. Lequel des trois différents types de taux décrits dans ces choix de réponse donnera que la majorité des électrons de notre atome soient dans un état excité par rapport à l’état fondamental? Avec cette question en tête, examinons à nouveau l’option de réponse (C).

Cela signifie que le taux auquel les électrons de notre atome passent à un état plus excité est le même que le taux auquel ils passent à un état moins excité. Si cela se produisait, nous nous attendrions à ce qu’il y ait le même nombre d’électrons plus excités que moins excités. Et cela signifierait que nous n’avons pas effectué une inversion de population. Un photon incident sur cet atome serait tout aussi susceptible d’être absorbé que de stimuler l’émission d’un autre photon. Ainsi, lorsque ces taux sont les mêmes, comme le prétend le choix (C), nous ne pourrons pas amplifier la lumière produite par l’émission stimulée. Nous allons donc rayer ce choix.

Ensuite, le choix (E) dit que le taux auquel les électrons de l’atome passent à des états moins excités est supérieure au taux auquel ils passent à des états plus excités. Si tel était le cas, nous nous attendrions à ce que notre système atomique ressemble à ceci, sans électrons excités. Mais pas d’électrons excités signifie pas d’émission stimulée. Ainsi, la lumière laser ne peut pas être produite de cette façon. Nous barrerons également ce choix.

Enfin, le choix (D) indique que taux auquel les électrons passent à des états plus excités est supérieure au taux auquel ils passent vers des états moins excités. De toutes nos options de réponse, c’est la seule qui conduirait à une véritable inversion de population. Cela permettrait alors de produire de la lumière laser. Ainsi, un milieu actif contient des atomes, dans lesquels les électrons ont tendance à passer à des états plus excités à un taux plus élevé qu’ils n’ont tendance à passer à des états moins excités.

Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les composants et le fonctionnement des lasers. Dans cette leçon, nous avons vu que les lasers se composent de trois parties. Le milieu actif, qui peut être un solide, un liquide ou un gaz, qui fournit un matériau avec le bon type de structure d’énergie électronique pour le laser. Tous les lasers ont également une sorte de source d’énergie, parfois appelée pompe à énergie, qui fournit de l’énergie aux atomes du milieu actif. Ce faisant, plus d’électrons dans ce milieu sont à l’état excité que dans l’état fondamental, créant ce qu’on appelle une inversion de population.

Nous avons également appris qu’une inversion de population est rendue possible par ce qu’on appelle un état d’énergie métastable. Ces émissions de lumière stimulées par cet état sont ensuite amplifiées par la troisième partie principale du laser appelée cavité résonnante. Grâce à la combinaison de toutes ces parties, un faisceau de lumière laser est finalement produit.