Chap 4 suite le laser
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Chap. 4 (suite) : Le laser. SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS. 1. Absorption et émission quantiques 1.1. Absorption et émission spontanée. Etat ionisé. 0. E 4. E 3. Etats excités. E 2. Etat fondamental. E 1. Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome.

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Chap. 4 (suite) : Le laser.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Chap. 4 (suite) :Le laser.


SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS


  • 1. Absorption et émission quantiques

    • 1.1. Absorption et émission spontanée

Etat ionisé

0

E4

E3

Etats excités

E2

Etat fondamental

E1

Doc. 1 : diagramme des niveaux d’énergie d’un atome

Doc. 1 : Les niveaux d’énergie d’un atome sont….

Les échanges d’énergie entre un atome et une onde électromagnétique de fréquence n sont donc eux aussi… : ils se font par paquets d’énergie appelés photons tel que E, l’énergie transportée par ce photon, ….

quantifiés

quantifiés

E = h.n


Spectre d'absorption de l’hydrogène dans le visible.

E

En

h.n

E1

Doc. 2 : absorption d’un photon

Absorption : cela correspond …


n

E (eV)

3

2

–3,4

Absorption d’un photon : transition de niveau d'énergie.

Photon d'énergie

E =h.n.

1

– 13,6

Niveaux d'énergie de l'atome d’hydrogène.

Quelle est la fréquence et la longueur d’onde de l’onde lumineuse absorbée par l’atome d’hydrogène lors de la transition du niveau d’énergie fondamental au niveau 2 ?

On a : E2 – E1 = h.n

Soitn = (E2 – E1)/h

A.N. : n = (-3,4 – (-13,6) x 1,6.10-19/6,626.10-34 = 2,46.1015 Hz

Comme l = c/n

A.N. : l = 3,0.108/2,46.1015 = 1,21.10-7 m dans le vide soit 121 nm (U.V).


E

En

h.n

E1

Doc. 3 : émission spontanée d’un photon

Emission spontanée : cela correspond …


Niveaux des états excités

Pour l’hydrogène, dans le visible, les raies d’émission correspondent aux transitions des niveaux d’énergie 3, 4, 5 au niveau 2

n : niveau d’énergie

Valeur E en eV

– 0,54

5

– 0,85

4

– 1,51

3

2

– 3,4

– 13,6

1


Remarque : l’émission spontanée à lieu généralement …


Parfois, elle a lieu …

Les photons sont émis …


E

E

h.n

En

h.n

h.n

E1

Doc. 4 : émission stimulée

  • 1.2. Emission stimulée

Un photon peut interagir avec un atome, même si …

Emission stimulée : Dans une population d’atomes, il y a beaucoup plus d’atomes dans l’état fondamental que dans un état excité. L’émission stimulée est un phénomène très peu probable par rapport à l’émission spontanée. Si peu probable qu’elle n’a été observée qu’en 1928 alors qu’Albert Einstein avait prévu son existence dès 1917.


  • 2. Application au laser

    • 2.1. Principe de fonctionnement du laser

    • 2.1.1 Pompage optique

Doc. 5 : pompage et inversion de population :

Pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes, il faut les amener à un niveau excité E2 …à leur niveau fondamental E1 en leur fournissant de ….

On effectue alors une … par un procédé appelé ….

Cette énergie peut être transmise par décharge électrique (pompage électrique) ou par un faisceau lumineux (pompage…).

On obtient alors un ….

Pompage

supérieur

l’énergie

Milieu actif

inversion de

population

pompage

Après pompage

optique

milieu actif


Milieu actif

L’onde incidente est donc …par émission stimulée.

amplifiée

Après pompage

Après émission stimulée


Miroir

Semi-transparent

Pompage

Miroir concave

Faisceau laser

Cavité résonante de longueur L

Doc. 6 : cavité résonante du laser

2.1.2. La cavité résonante

Le milieu actif est placé dans une cavité entre deux …parallèles disposés face à face. Les photons font donc plusieurs allers-retours (…optique) et interférent entre eux. Ces interférences sont …si la longueur L de la cavité vérifie la relation : 2 × L = k × l (avec k *).

L’un des deux miroirs étant semi-transparent, une partie du rayonnement s’échappe de la cavité et forme le rayon laser.

…compense l’énergie perdue par l’émission laser.

miroirs

oscillateur

constructives

L’énergie fournie par le pompage


  • 2.2. Propriétés et applications de la lumière laser

Le faisceau émis est :

- …

- …

Certains lasers émettent …

Ex : Un laser hélium-Néon délivre un faisceau de puissance P = 2,0 mW et de rayon r = 0,40 mm.

Déterminer la puissance surfacique I du faisceau et la comparer à celle de la lumière solaire (IS = 1 kW.m–2)


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