Laser processus d'émission en cascade

[invite70745b44]

Bonjour/Bonsoir,

Le Laser possède des atomes à l'état excité (instable) => ion, donc quand on a un photon provenant de la source de lumière qui vient choqué le cortège électronique de l'atome à l'état excité => ion, on aura donc un électron du cortège électronique qui va absorbé le photon donc cette électron pour revenir a son énergie de "base" l'électron va émettre un photon mais comme il est déjà excité on aura des émissions en cascade ? svp j'ai vraiment besoin d'aide je n'arrive pas a comprendre le principe de l'émission en cascade dans le laser.
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[LPFR]

Bonjour.
Ce n’est pas tout à fait comme ça.
Vous avec deux niveaux d’énergie. Un photon incident de la bonne énergie, à la même probabilité de faire passer un atome du niveau bas au niveau haut (en absorbant le photon) que de faire passer un atome du niveau haut au niveau bas en émettant un photon de la même énergie. Mais il n’y a pas d’absorption que dans le premier cas.
Le nombre d’atomes qui font une transition dépend du nombre d’atomes dans chaque niveau d’énergie : il faut qu’il y ait des atomes dans le niveau de départ et de places vides dans le niveau d’arrivée.
Dans un laser il faut que le nombre d’atomes au niveau haut soit plus grand que celui au niveau bas. C’est pour cela qu’on appelle cette situation « inversion de population ». Car la situation normale est : le niveau bas plus peuplé que le niveau haut.

La cascade dont vous parlez consiste à ce que quand un photon qui fait descendre de niveau un atome et qui émet un autre photon identique (même direction, fréquence et phase), on se retrouve avec deux photons capables de faire descendre 2 atomes excités et puis 4 et puis 8, etc.
Encore faut-il que le photon arrive a exciter des atomes avant de sortir du milieu. Pour cela on fait faire des allers-retours aux photons dans le milieu avec des miroirs.
Au revoir.

[Resartus]

Bonjour,
On ne peut pas expliquer l'émission stimulée avec des "petits modèles" de collisions corpusculaires. Il faut utiliser la théorie quantique des champs pour modéliser proprement ce phénomène*

A votre niveau de connaissance, il faut juste admettre que tout se passe comme si, en voyant passer un photon d'une couleur qui lui plait, l'électron excité se disait "pourquoi pas moi", et se désexcite dans la foulée, et avec exactement la bonne fréquence et direction.


*Mais Einstein a quand même pu démontrer par des raisonnements semi classiques que ce phénomène est indispensable et que la probabilité d'émission stimulée par un électron excité doit être exactement égale à celle d'absorption par un électron à l'état fondamental.
(sinon on aboutit à des absurdités : par exemple la température d'un corps noir pourrait augmenter indéfiniment)

[invite70745b44]

Bonjour/Bonsoir, Merci infiniment LPFR je pense avoir compris tu es le seul qui a réussi a être directe. Donc si j'ai bien compris dans la cavité du laser on a des atomes excités c'est à dire qu'on a plus d'électron sur des couches d'énergie qui a l'état fondamental ne sont pas les leurs et qu'a l'inverse les couches qui normalement sont les leurs à l'état fondamentale son vide donc il faut une certaine énergie au photon pour désexciter les électrons excités donc grâce au système de miroir réfléchissant et semi réfléchissant on a une amplification de l'énergie du photon et ainsi une désexcitation avec émission de plusieurs photons des électrons qui se trouvait sur une couche d'énergie à l'état excité c'est ça ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Wow, une phrase de quatre ligne. Essaie de respirer quand tu écrits !!!!

Sinon, ce que tu dis est correct à un tout petit bémol :

il faut une certaine énergie au photon pour désexciter les électrons excités

Il faut que les photons aient exactement (enfin presque (*)) la même énergie que celle séparant l'état fondamental et l'état excité. Cela alors à tendance à provoquer plus rapidement la désexcitation de l'électron (sinon il retombe de lui-même mais nettement plus tard).

(*) ces photons ayant été au départ émit par les électrons qui se désexcitent, on est garantit d'avoir la bonne énergie.
Il y a malgré tout un petit écart (minuscule) dû à la largeur naturelle des raies spectroscopiques (incertitude quantique) et surtout l'effet Doppler (agitation thermique).
Toutefois l'émission stimulée se produit quand même si l'écart reste très faible.

[invite70745b44]

Merci beaucoup et désolé hihi.

Donc je peux conclure que dans la cavité d'un laser on a des atomes dans un état excité donc une population d'électron qui par exemple à l'état fondamental aurait du être sur la couche K (E0) se retrouve sur la couche L (E1) qui devient surpeuplé d'électron à partir de ce moment quand je déclenche une source lumineuse artificiel par exemple on va avoir des faisceau de photon qui vont aller choquer les électrons on aura donc une désexcitation des électrons qui retournerons à leur état fondamentale couche K (E0) en émettant leur surplus d'énergie par un photon étant donner que le système est constitué de 2 miroir réfléchissant et semi réfléchissant au niveau de chaque extrémité on aura des photons qui iront se réfléchir et ainsi gagner en énergie avant de sortir du laser.

Donc si je comprends bien les photons vont s'amuser a excité et désexcité constamment les atomes qui passeront d'un état excité a un état fondamentale ?

[LPFR]

Bonjour.
Deux précisions supplémentaires.
Il n’est pas si simple de trouver des systèmes avec deux états et dans lequel l’état du haut soit métastable. Au du moins qu’il ait une durée de vie suffisamment grande pour qu’il ne retombe de lui même à l’état de base par émission spontanée. Pour vous donner une idée de la rareté, le premier laser était fait avec du rubis. Comme les rubis naturels sont trop imparfaits et hors de prix, il fallu fabriquer des rubis artificiels (quelques 5 cm le long et 5 mm de diamètre). Et tout ça pour deux niveaux des atomes de chrome qui lui donnent sa couleur.
Et pour créer l’inversion de population, on ne peut pas utiliser des photons qui ont la même énergie que ceux qui vont être émis par le laser.
Il faut passer par un (ou des) états d’énergie supérieure qui tombent vers le niveau de base en passant par le niveau haut que l’on veut utiliser. Et ce niveau haut doit être métastable.
Dans le premier laser à gaz « grand public » He-Ne on crée l’inversion par un processus indirect : on excite les atomes d’hélium par la décharge électrique, et ces atomes excités excitent à leur tour des atomes de néon pendant des collision.
Dans les diodes laser, la situation est plus simple, car on injecte directement des électrons sur la bande de conduction. Pas besoin d’états métastable. La recombinaison est suffisamment lente d’elle même.

Sur la cavité : Pour qu’il y ait amplification (et oscillation) il faut que la probabilité qu’un photon provoque l’émission d’un autre avant de sortir du milieu soit plus grande que 1. Dans un gaz à faible pression, comme le He-Ne, la probabilité est tellement faible qu’il faudrait des kilomètres de longueur. On raccourcit la distance en faisant parcourir des milliers de fois le milieu au photon avant qu’il ne sorte. C’est le rôle des miroirs.
Dans les diodes laser, la densité est suffisamment grande et la distance suffisamment courte pour qu’un simple miroir additionnel sur une extrémité suffise. La réflexion partielle (Fresnel) sur la face de sortie suffit à allonger le parcours.

Mais il a un laser remarquable, le seul que l’on peut faire dans son garage (très bien équipé), qui n’a pas besoin de cavité (ni des miroirs), car la probabilité d’excitation est très grande et le gaz (N2) est à la pression atmosphérique ou presque. Voir :
http://technology.niagarac.on.ca/peo...s/LasersN2.htm
Mais il ne suffit pas d’un garage bien équipé. Il faut avoir un minimum de connaissances (avec la haute tension, entre autres).
Au revoir.