Chap. 4 (suite) : Le laser.

1. Chap. 4 (suite) :Le laser.

2. SOS Vidéo 50 ans du laser CNRS

4. 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

5. Spectre d'absorption de l’hydrogène dans le visible. E En h.n E1 Doc. 2 : absorption d’un photon Absorption : cela correspond …

6. 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).

8. E En h.n E1 Doc. 3 : émission spontanée d’un photon Emission spontanée : cela correspond …

9. 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

10. Remarque : l’émission spontanée à lieu généralement …

11. Parfois, elle a lieu … Les photons sont émis …

12. 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.

13. 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

14. Milieu actif L’onde incidente est donc … par émission stimulée. amplifiée Après pompage Après émission stimulée

15. 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

16. 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)