5C2011 Le LASER : synthèse des modèles corpusculaire ET ondulatoire de la lumière

jeudi 10 novembre 2011 par Luc Tartier

Nous reviendrons sur le LASER l’année prochaine après avoir vu la notion de résonance. Mais dès cette année, on peut l’utiliser pour montrer que les deux approches théoriques de la lumière (onde et corpuscules = photos) sont indispensables.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation est plus connu sous l’acronyme LASER.

Principe de fonctionnement :

1.Il faut disposer d’un milieu excitable, c’est à dire une matière qui a un niveau d’énergie métastable (instable, mais avec une durée de vie plus longue).

2. On réalise un apport d’énergie (par exemple un pompage optique avec une radiation d’une fréquence particulière) pour obtenir une inversion de population : Il faut avoir plus d’électrons dans l’état excité métastable que dans l’état fondamental pour avoir un milieu amplificateur de lumière.

3. Un miroir 100% réfléchissant et un miroir partiellement réfléchissant assurent des aller et retours des photons qui stimulent l’émission d’autres photons cohérents au contact des électrons qui sont sur le niveau d’énergie métastable (les premiers photons étant émis spontanément, beaucoup n’avaient pas la bonne direction et sont perdus).

4. Les photons qui partent par le miroir semi-réfléchissant constituent l’émission LASER, mais...

5. L’émission LASER n’a lieu que si la distance entre les miroirs est un multiple de la demi-longueur d’onde, ce qui est caractéristique de la résonance qu’on observe sur une corde de guitare par exemple. Jusqu’ici on aurait pu se contenter de chocs de particules (photons sur les miroirs ou sur les électrons métastables) mais il faut aussi faire intervenir les ondes, sinon, pas d’émission LASER.

Le LASER He-Ne utilise 4 niveaux d’énergie.

a) Une décharge électrique donne par choc électron-atome de l’énergie à certains atomes d’Hélium.

b) Les atomes d’Hélium ayant la bonne énergie entre en collision avec les atomes de Néon et peuvent ainsi réaliser l’inversion de population (plus d’atomes excités que d’atomes pouvant absorber cette énergie). Le milieu devient amplificateur de lumière.

c) Un photon peut être alors émis spontanément ou par stimulation d’un photon qui fait des aller et retours entre les miroir : c’est l’émission LASER à 632,8 nm. (Le reste de l’énergie est perdue par choc avec les parois.

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Physique et Chimie au lycée Jan Neruda de Prague (Lycée Bilingue Jan Neruda)

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