Laser : principe et fonctionement

[invitecd2f26ce]

J'ai quelques questions sur le laser ( dans le cadre des tpe )
1)Tout d'abord le pompage peut il provoquer une transition laser dans un système a trois niveaux ? du niveau 2 a 1
2)La transition du niveau 3a2 est systématiquement spontanée à cause de l'instabilité du niveau ?
3)Est elle radiative ou non ?
4)Cette transition rapide ne peut pas donner lieux à l'émission d'un photon ? elle se manifeste sous forme de chaleur ?
5) combien de temps dure un pompage ?
Merci d'avance pour vos réponse ^^
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[invitea3eb043e]

Les lasers à 3 niveaux ne sont pas le cas le plus fréquent. C'était le cas pour le rubis, historiquement le premier qui ait fonctionné.
1 est le niveau bas, 2 le niveau intermédiaire et 3 le niveau haut.
3 est large, ce qui augmente l'efficacité du pompage (le flash est bien absorbé). De 3 à 2 c'est non radiatif et ensuite effet laser de 2 vers 1 et on recommence.
Il faut donc inverser les populations (2 plus peuplé que 1 sinon l'absorption l'emportera). C'est plus facile à 4 niveaux : pompage de 1 vers 4, non-radiatif de 4 vers 3, laser de 3 vers 2 (le 2 est vide) et ensuite non-radiatif de 2 vers 1.
Le laser à néodyme est à 4 niveaux, comme la plupart des autres, il peut fonctionner en continu, ce qui n'est pas le cas du rubis (du moins pas à température ambiante).
Pour le rubis, si on ne fait rien, le niveau 2 va retomber en quelques millisecondes de manière radiative (fluorescence). Quand l'effet laser se produit, ça se produira en quelques microsecondes, voire nanosecondes si on utilise certains artifices (Q-switch).

[invitecd2f26ce]

Merci pour la rapidité
Donc le pompage est le seul rayonement qui intervient dans le processus laser ?
et aussi je comprend l'utilité d'un niveau inférieur au dessus du niveau fondamentale mais a quoi sert le niveau 4 sachant que si 3 est métastable il prévient des émission spontannée ? ( dans un alser a4 niveaux )

[invitea3eb043e]

Comme déjà dit, il faut que le niveau 4 soit large ou multiple pour que l'énergie du flash soit bien récupérée (elle est étalée sur plein de fréquences).
Le niveau 3 n'est pas métastable, il est couplé au niveau 2 de manière radiative et c'est pour cela que ça marche.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitecd2f26ce]

Si l'énergie est étalée sur plein de fréquence quelle sera celle du photon stimulée ?

[invitea3eb043e]

Ne pas confondre l'énergie du pompage, entre les niveaux 1 et 4 et l'énergie du laser entre 3 et 2, ça n'est pas pareil. Le laser à rubis est assez monochromatique, celui à néodyme moins parce que les ions Nd sont dans une matrice de verre donc ils voient des potentiels variés. Ce sont ces lasers qui servent dans les très grandes puissances.

[invitecd2f26ce]

Oui mais est ce que l'énergie du pompage peut elle etre responsable d'une émission stimulée (transition laser) ?
même si la probabilité d'une absoption est supérieur (distribution de boltzman à l'équilibre thermodynamique)

[invitea3eb043e]

Il n'y aura amplification (le A du mot laser signifie amplification) que si l'émission stimulée l'emporte sur l'absorption. Comme ce sont les mêmes coefficients d'Einstein qui gouvernent les deux phénomènes, il faut que les populations soient inversées. S'il n'y a que 2 niveaux, ça ne peut marcher car l'absorption l'emportera toujours, il en faut 3 au moins. Le génie de Maiman avait été le choix du rubis qui possède une large bande d'absorption dans le vert et une étroite raie d'émission/absorption dans le rouge.

[invitecd2f26ce]

D'accord, et une fois que l'inversion à lieux c'est ce même rayonement du pompage qui provoque l'emission stimulée ou c'est une radiation différente ?

[invitecd2f26ce]

De plus est ce que la vitesse de transition de pompe est supérieur à la vitesse de transition laser ? dans tous les cas ?

[invite82fffb5c]

D'accord, et une fois que l'inversion à lieux c'est ce même rayonement du pompage qui provoque l'emission stimulée ou c'est une radiation différente ?

Je pense que c'est l'émission spontanée d'un photon stable dans la cavité qui "lance" la cascade d'émission stimulée qui constitura le faisceau laser de sortie...

[invitea3eb043e]

De plus est ce que la vitesse de transition de pompe est supérieur à la vitesse de transition laser ? dans tous les cas ?

C'est quoi, la vitesse de transition ? C'est un phénomène quantique. Le nombre de transitions (ou nombre de photons absorbés) est proportionnel à la population atomique concernée, au carré de la force d'oscillateur (qui dépend de la transition, permise ou interdite) et au flux de photons.
Il faut raisonner en termes d'amplification-absorption, pas de vitesse de transition.

[invitecd2f26ce]

je ne comprends pas ce que tu veux dire par ''amplification-absorption'', tu veux dire qu'on ne peut pas parler de vitesse de transition ?

[invitea3eb043e]

C'est Einstein qui a introduit le concept d'émission stimulée. L'idée est qu'un atome peut passer du niveau bas au niveau haut en absorbant un photon mais qu'il peut passer du niveau haut au niveau bas de 2 façons :
- spontanément en émettant un photon ou pas (l'énergie passant en chaleur par exemple)
- de manière stimulée sous l'action d'un photon, en émettant un photon identique. 1 photon au départ, 2 à l'arrivée, c'est une amplification.
Ces 2 processus absorption-émission stimulée se passent en même temps, ils ont des effets opposés, il faut voir lequel gagne et ça dépend des populations en haut et en bas. Quand il y a plus de monde en haut, c'est l'amplification qui domine, autrement c'est absorption.
Les physiciens parlent de probabilité d'absorption, pas de vitesse de transition.

[invitecd2f26ce]

Oui pourtant j'ai entendu parler de ''lifetime'' d'une transition
d'ailleur quand on parle de transition radiative c'est parce qu'elle emet un photon ou par ce qu'elle est déclanché apr un photon ?

[invitea3eb043e]

La "lifetime" s'applique à l'émission spontanée, pas stimulée.
Une transition radiative correspond à une émission de photon, spontanée ou stimulée.

[invitecd2f26ce]

on peut pourtant parler de durée de la transition laser non ?
apparement la lifetime de la transition rapide est supérieur à la lifetime de la transition laser

[invitecd2f26ce]

aussi est ce que les ondes laser sont forcément des ondes gaussiennes ? comment la caractériser ?

[invitea3eb043e]

on peut pourtant parler de durée de la transition laser non ?

Jamais entendu parler.

Ensuite le profil d 'un laser est rarement gaussien avec une intensité qui varie comme exp(-r²), on parle alors de mode TEM 0,0 (transverse électromagnétique d'indices 0 et 0). On peut arriver à créer ce profil au prix de pertes de puissance.