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Emission de la lumière LASER

Cette page est consacrée aux phénomènes qui permettent l’émission de la lumière laser.

Pour fabriquer un laser, il faut un système qui permette de créer un rayonnement constitué de photons identiques,  le champ électrique oscillant « en phase » dans la direction perpendiculaire au rayonnement émis. Il faut aussi que ce rayonnement soit suffisamment important, et nous verrons qu’un système d’amplification de la lumière est requis: cette amplification a généralement pour siège la cavité laser.

Si la description des caractéristiques de la lumière laser repose principalement sur une conception ondulatoire, les mécanismes liés à son émission par des atomes requièrent une approche « corpusculaire », via la prise en compte de l’énergie transportée par les particules de lumière, les photons.

L’interaction entre lumière et matière fait intervenir plusieurs acteurs : parmi  les principaux, outre bien sûr les photons, figurent certainement les électrons qui gravitent (ou plutôt occupent certaines positions, ou niveaux d’énergie) autour des noyaux atomiques.

Niveau d’énergie et émission lumineuse

On utilise souvent un modèle simplifié qui aide à la compréhension des effets atomiques nécessaires pour générer une émission laser : chaque atome possède des niveaux d’énergie particuliers « discrets » où se placent les électrons, et pour passer d’un niveau (ou « pallier ») à l’autre, la quantité d’énergie à fournir doit correspondre exactement à la différence d’énergie entre ces niveaux. Les photons sont des « paquets » (ou quanta) d’énergie pure : ils peuvent disparaître dans des réactions énergétiques où leur énergie est justement absorbée et permet une transition énergétique.

A l’inverse, ils peuvent être émis par certaines réactions qui « libèrent » de l’énergie. L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence: elle est égale à hν ou h est la constante de Planck, et ν la fréquence (en Herz).

Cet aspect « quantitatif » est un pilier du monde quantique ; mis à profit, il permet de générer le rayonnement laser si l’on garde à l’esprit que l’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence longueur (et inversement proportionnelle à sa longueur d’onde).

Ainsi, l’énergie requise pour passer d’un « niveau » électronique (appelons le n°1, d’énergie E1) à un autre plus élevé (n°2, d’énergie E2) peut être apportée que par un photon… à condition que sa longueur d’onde fasse que son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux d’énergie (soit : E2-E1). A l’inverse, un électron passant d’un niveau élevé (n°2) à un niveau plus faible d’énergie (n°1)  se « débarrasse » de la différence en émettant un photon dont l’énergie (la longueur d’onde) correspond à la différence des niveaux (E2-E1).

Emission lumineuse par désexcitation

Un électron peut passer d’un état fondamental (E1) à un état excité grâce à l’énergie fournie par un photon. De même, la désexcitation aboutit à l’émission d’un photon dont l’énergie correspond à la différence (E2-E1).

Si l’on considérait un ensemble d’atomes muni de deux niveaux E1 (fondamental) et E2 (excité), et que l’on cherchait à connaître leur état à divers instants  successifs, on observerait qu’il existe une proportion majoritaire d’électrons seraient en état E1, les autres étant bien sûr en E2.  Au fil du temps, pour une température constante et un volume constant, la proportion serait inchangée, mais on noterait que chaque atome peut être successivement en état E1 (après une émission spontanée d’un photon) ou E2 (après une absorption spontanée d’un photon).

L’émission de lumière laser repose sur une rencontre particulière : celle d’un photon et d’un atome déjà « excité ». Survient alors ce qu’on appelle une émission « stimulée », dont voici le scénario.

Pour un photon rencontrant un milieu atomique, il existe deux possibilités : le premier atome rencontré par le photon peut être en état fondamental, ou un état excité. Si le photon rencontre un atome déjà « excité », survient ce qu’on appelle une émission stimulée : l’atome ne peut absorber ce photon et sous l’effet de la « collision », il émet un photon dont la longueur d’onde est identique au photon incident, mais également la phase (et la polarisation). Ces deux photons forment un « embryon » de lumière laser !

niveaux d'énergie de l'atome et emission spontanée

Emission spontanée : un électron du niveau supérieur transite spontanément au niveau inférieur en émettant un photon dont l’énergie est égale à celle qui sépare les deux niveaux.

L’émission spontanée est, comme son nom l’indique, un phénomène spontané: certains niveaux de l’atome ont une durée brève; ceux qui ont une durée plus « longue » sont appelés les niveaux « métastables ».

émission stimulée laser

Emission stimulée : la lumière incidente de fréquence υ force le passage d ’un électron du niveau supérieur au niveau inférieur et l ’émission d ’un photon d ’énergie h υ =(Es-Ei). Il s ’agit d ’un phénomène cohérent, et les radiations lumineuses émises sont en phase. Pour obtenir une émission stimulée (cohérente) plus importante que l ’émission spontanée, il faut que la densité de photons soit suffisamment élevée, ce qui rend nécessaire la présence d ’un milieu amplificateur et d ’un résonateur optique (composé de deux miroirs qui se font face).

 

On entrevoit intuitivement qu’il faut accroître le phénomène d’émission stimulée pour obtenir un faisceau de lumière laser.

Toutefois, à ce stade, les deux photons issus du processus d’émission stimulée sont à même de se propager dans n’importe quelle direction (même si cette direction est identique pour chaque photon). Si le milieu comporte une proportion importante d’atomes en E1 (niveau fondamental), il y a une forte probabilité que ces photons soient alors « victimes » d’une absorption spontanée lors d’une prochaine rencontre atomique, … à moins que la probabilité de rencontrer un atome en E2 (niveau excité) soit nettement supérieure à celle de rencontrer un atome en E1. Or, les lois de la physique interdisent qu’à l’état « naturel », un mélange atomique comporte plus d’atomes en état E1 qu’en état E2.

Quand bien même cette proportion serait identique (nombre d’atomes en E1 = nombre d’atomes en E2), on pourrait prédire que statistiquement, chaque photon introduit dans le milieu a une chance sur deux d’être absorbé, et une chance sur deux de susciter une émission stimulée.

En fin de compte, si l’on « bombarde » le milieu peuplé d’atomes à deux niveaux avec une source extérieure de photons d’énergie E2-E1 (ou d’autres particules ou moyens physiques délivrant l’énergie requise), on obtiendra au bout du compte (et en admettant qu’il n’y ait pas d’autres sources de « pertes de photons » que l’absorption)  statistiquement une proportion égale (50%/ 50% ) d’atomes en E1 et E2 …et ce quelle que soit la proportion initiale d’atomes en E1 et E2 (rappelons que les lois de la thermodynamiques imposent qu’à l’état « normal », il y ait plus d’atomes en état E1 – moindre énergie qu’en état E2 – plus forte énergie).

C’est pour cela qu’il n’est pas possible de créer une lumière laser avec des atomes à seulement deux niveaux d’énergie : il n’y a pas assez d’émission stimulée, les phénomènes d’absorption et d’émission spontanée dominent le tableau.

Pour créer une lumière laser, il faut que la probabilité de rencontrer un atome excité (en E2) soit nettement supérieure à la probabilité de rencontrer un atome en E1 ; en imaginant que ceci soit possible, on pourrait imaginer alors que le nombre de photons « en phase », issus du phénomène d’émission stimulée, augmente progressivement, par le fait d’une réaction en cascade.

Prenons un cas extrême où 100% des atomes seraient en E2 à un instant donné : on peut imaginer qu’un premier photon issu d’une première émission spontanée déclenchera en rencontrant un atome excité une émission stimulée, génératrice d’un photon de même phase et susceptible de composer un embryon de train de lumière laser. Les deux photons rencontrerons alors très probablement d’autres atomes en état excité (il est très peu probable qu’ils soient à nouveau absorbés par un des premiers atomes désexcités), et induirons l’apparition de deux nouveaux photons, et ainsi de suite : à chaque « collision », le nombre de photons double. Il suffit de continuer à apporter de l’énergie « de l’extérieur » pour engendrer une réaction en chaine, aboutissant à l’apparition d’un nombre élevé de photons « identiques ».

Pour augmenter la probabilité de rencontre avec des atomes excités, il faut réaliser pour cela ce que l’on appelle une « inversion de population », c’est-à-dire le passage d’une proportion supérieure d’atomes excités. Comment réaliser cette inversion ?

Inversion de population

Nous avons vu que l’apport de photons d’énergie adéquate (E2-E1) tend à égaliser la proportion d’atomes à deux niveaux ( en état E1 ou E2), mais ne peut l’inverser .

Considérons maintenant un atome à trois niveaux d’énergie E1, E2, et E3 : à l’état d’équilibre, le nombre d’atome en (n-E1) est supérieur à celui des atomes en E2 (n- E2), et ce dernier est lui-même supérieur à celui des atomes en E3 (n-E3).  En apportant les quantas d’énergie nécessaires (exactement égaux à E3-E1), on provoque un rééquilibrage entre le nombre d’atomes en E1 et en E3, et ceci permet d’augmenter la proportion d’atomes en niveau E3.

Cet apport énergétique peut être fait sous forme de chaleur, de lumière, d’électricité, etc. : on l’appelle le « pompage », puisque tout se passe comme si l’on pompait un a un des atomes en état E1 pour les amener en état E3. A un moment donné, la proportion d’atomes en E3, qui va tendre à égaliser (sans pouvoir dépasser) celle des atomes en E1 peut cependant devenir supérieure à celle du nombre d’atomes en E2 !! On a alors réalisé une inversion de population entre E3 et E2. Le retour à l’équilibre, pour rétablir la proportion d’équilibre (n-E1 > n-E2>n-E3)  induit un nombre de transition important entre E3 et E2, à même d’induire la réaction en cascade souhaitée et la création de lumière laser.

pompage et émission stimulée à trois niveaux

(A) Un atome possède trois niveaux d’énergie (E1 : fondamental, E2 et E3). La probabilité pour l’atome d’être en E1 est de 75%, en E2 de 20% et en E3 de 5%.
(B) Pour réaliser une inversion de population, on apporte de l’énergie correspondant à la différence entre les niveaux E1 et E3 (0.8 ev), grâce à des photons qui possèdent cette énergie. Ce «pompage » provoque une modification des probabilités; la probabilité d’être en E3 augmente, celle d’être en E1 diminue. Au maximum, on peut espérer obtenir une probabilité égale (40% vs 40%).
(C) Dès que la probabilité d’être en E3 dépasse 20%, une inversion de population se réalise entre les niveaux E3 et E2. Si une désexcitation se produit entre E3 et E2, des photons d’énergie E3-E2 peuvent être produits. Ces photons ont une probabilité élevée de rencontrer d’autres atomes excités;

 

Il faut donc au minimum trois niveaux d’excitations pour qu’un atome puisse générer de la lumière laser. La plupart des lasers fonctionnent en fait selon 4 niveaux, les transitions générant la lumière laser s’effectuant entre le niveau 3 et 2. Le niveau 3 est idéalement « métastable », c’est-à-dire qu’un atome ayant atteint de niveau d’énergie E3 peut y rester « un certain temps » et ne se désexcite pas trop vite : ceci afin de garantir une proportion requise d’atomes en E3 au fil du temps, à même de recevoir des photons créés par et perpétuer l’émission stimulée. Malgré tout, rien n’empêche certains atomes excités de se désexcités spontanément, …les rendant à même d’absorber l’énergie de certains des photons produits de l’émission stimulée… et donc aptes à participer à nouveau à une émission stimulée.. à condition de rencontrer suffisamment de photons etc etc. Il faut donc non seulement maintenir élevée la proportion d’atomes excités, mais aussi faire en sorte que le gain en photons produits soit supérieur aux pertes (liées à l’absorption spontanée, mais aussi car c’est le but à la production de la lumière laser qui « quitte le milieu », et d’autres phénomènes susceptibles d’intervenir dans le milieu de production de la lumière laser comme la diffraction, etc). Il ne suffit pas d’exciter les atomes du milieu, il faut « maintenir » un nombre suffisant de photons dans ce milieu pour que ceux-ci puissent continuer à déclencher des émissions stimulées.

C’est le rôle de l’amplification et de la cavité de résonance, qui font l’objet d’une page spécifique.

 

Remarques complémentaires

1)      Le modèle des « paliers » énergétique est séduisant par sa simplicité mais simpliste. Plutôt que de se représenter les électrons comme des billes en orbite autour du noyau, qui correspondraient chacun à un niveau d’énergie particulier, il est plus juste de considérer qu’ils forment un « nuage » électronique. En fonction de l’énergie acquise par l’atome, ce nuage adopte une forme différente. En vertu de lois étranges de la physique quantique, l’atome occupe tous ces niveaux d’énergie à la fois… c’est la mesure de l’énergie de l’atome qui « force » celui-ci à adopter une valeur discrète (valeur correspondant à un nombre particulier propre à chaque atome). Cette mesure est analogue à un évènement, tel que la rencontre entre un photon et un atome. En fonction de la probabilité que l’atome soit dans tel ou tel état excité, l’interaction va produire un effet particulier (absorption ou émission spontanée), mais là encore sous certaines conditions : que l’énergie apportée par le photon corresponde exactement à la différence nette entre deux niveaux d’énergie possibles de l’atome.

2)      Certains milieux ne sont pas constitués d’atomes mais de molécules : en plus des niveaux d’énergies propres aux atomes qui les constituent, il existe d’autres niveaux liés à la « géométrie » de la molécule en question : en fonction de l’énergie absorbée ou rendue, la molécule peut « vibrer »,  ou adopter telle ou telle configuration. En général, les différences énergétiques entre ces configuration sont moindres que celles qui séparent les couches électroniques. Les lasers excimères utilisent des molécules gazeuses pour générer un rayonnement ultraviolet : les molécules du milieu sont particulières car elles sont formées par l’assemblage de deux atomes de gaz rare (ex : Argon et Fluor) et n’existent qu’à l’état excité (on parle de « dimère excité », excited dimer en anglais, dont la contraction a donné le terme « excimer »). La présence d’une proportion importante de ces molécules de dimères excités dans la cavité constitue en soi l’équivalent d’une inversion de population. Des conditions physiques particulières conditionnent l’apparition de ces molécules et font la spécificité des lasers excimères.

 

 

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