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Introduction Principe du laser Applications INTRODUCTION AU LASER J. Roussel Dé

Introduction Principe du laser Applications INTRODUCTION AU LASER J. Roussel Département Physique Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes Avril 2014 J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications 1 Principe du laser Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de la cavité résonante Exemples 2 Applications Télémétrie Lecture CD et DVD Refroidissement laser J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Introduction LASER signiﬁe Light Ampliﬁcation by Stimulated Emission Radiation. J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Introduction LASER signiﬁe Light Ampliﬁcation by Stimulated Emission Radiation. 1958 : Richard Townes et Arthur Schawlow posent les bases théoriques du laser. J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Introduction LASER signiﬁe Light Ampliﬁcation by Stimulated Emission Radiation. 1958 : Richard Townes et Arthur Schawlow posent les bases théoriques du laser. 1960 : invention du premier laser par Theodore Maiman. Figure: T. Maiman avec son laser à rubis. Décédé en 2007, il a été nominé à deux reprises pour le Nobel qu’il n’obtiendra ﬁnalement pas. c ⃝Matteis / LookatSciences J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Introduction LASER signiﬁe Light Ampliﬁcation by Stimulated Emission Radiation. 1958 : Richard Townes et Arthur Schawlow posent les bases théoriques du laser. 1960 : invention du premier laser par Theodore Maiman. Le laser est une des inventions le plus marquantes du vingtième siècle avec l’informatique et internet. Figure: T. Maiman avec son laser à rubis. Décédé en 2007, il a été nominé à deux reprises pour le Nobel qu’il n’obtiendra ﬁnalement pas. c ⃝Matteis / LookatSciences J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Progression 1 Principe du laser Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de la cavité résonante Exemples 2 Applications Télémétrie Lecture CD et DVD Refroidissement laser J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Un laser est un oscillateur optique qui comporte trois éléments : J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Un laser est un oscillateur optique qui comporte trois éléments : 1 un milieu actif ampliﬁcateur (gaz, liq ou solide) ; J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Un laser est un oscillateur optique qui comporte trois éléments : 1 un milieu actif ampliﬁcateur (gaz, liq ou solide) ; 2 Une cavité résonante (de type Fabry-Perot) ; J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Un laser est un oscillateur optique qui comporte trois éléments : 1 un milieu actif ampliﬁcateur (gaz, liq ou solide) ; 2 Une cavité résonante (de type Fabry-Perot) ; 3 Un système de pompage permettant de réaliser une inversion de population au sein du milieu actif (excitation extérieure demandant bcp d’énergie : excitation électrique ou radiative) Figure: Exemple : Le laser à rubis J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Progression 1 Principe du laser Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de la cavité résonante Exemples 2 Applications Télémétrie Lecture CD et DVD Refroidissement laser J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Le fonctionnement du laser repose sur le phénomène d’émission stimulée. Le concept d’émission stimulée fut introduit par A Einstein en 1917 pour expliquer le rayonnement du corps noir. L’émission stimulée est un des trois modes d’interaction lumière-matière avec l’absorption et l’émission spontanée. J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de L’absorption Considérons un système d’atomes à deux niveaux d’énergie E1 (niveau fondamental) et E2 (niveau excité). E1 E2 • J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de L’absorption Considérons un système d’atomes à deux niveaux d’énergie E1 (niveau fondamental) et E2 (niveau excité). Envoyons des photons de fréquence ν vériﬁant E2 −E1 = hν avec h = 6, 626.10−34 J.s E1 E2 • • n photons hν J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de L’absorption Considérons un système d’atomes à deux niveaux d’énergie E1 (niveau fondamental) et E2 (niveau excité). Envoyons des photons de fréquence ν vériﬁant E2 −E1 = hν avec h = 6, 626.10−34 J.s Il y a une probabilité qu’un photon soit absorbé faisant passer un atome de l’état d’énergie E1 vers l’état d’énergie E2. La probabilité de la transition est proportionnelle au nombre n de photons. dN1 N1 abs = −B n dt avec B = Cte E1 E2 • • n photons hν • n −1 photons hν J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission spontanée L’état excité n’est pas stable ; il possède une faible durée de vie (de l’ordre de 10−8 s). En l’absence de photons, l’atome se désexcite spontanément en émettant un photon dans une direction aléatoire avec une phase et un état de polarisation aléatoire. E1 E2 • J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission spontanée L’état excité n’est pas stable ; il possède une faible durée de vie (de l’ordre de 10−8 s). En l’absence de photons, l’atome se désexcite spontanément en émettant un photon dans une direction aléatoire avec une phase et un état de polarisation aléatoire. E1 E2 • 1 photon hν J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission spontanée L’état excité n’est pas stable ; il possède une faible durée de vie (de l’ordre de 10−8 s). En l’absence de photons, l’atome se désexcite spontanément en émettant un photon dans une direction aléatoire avec une phase et un état de polarisation aléatoire. E1 E2 • 1 photon hν La probabilité par unité de temps de la transition est constante. dN2 N2 spont. = −A dt avec A = Cte J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission spontanée L’état excité n’est pas stable ; il possède une faible durée de vie (de l’ordre de 10−8 s). En l’absence de photons, l’atome se désexcite spontanément en émettant un photon dans une direction aléatoire avec une phase et un état de polarisation aléatoire. E1 E2 • 1 photon hν La probabilité par unité de temps de la transition est constante. dN2 N2 spont. = −A dt avec A = Cte NB :Il existe des niveaux excités de grande durée de vie (de l’ordre de la ms) qui sont dit métastables. Dans ce cas, la désexcitation est souvent d’origine non radiative (collisions). J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission stimulée En présence de photons de fréquence ν, la désexcitation peut être induite par un photon. On parle d’émission stimulée. E1 E2 • n photons hν • J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission stimulée En présence de photons de fréquence ν, la désexcitation peut être induite par un photon. On parle d’émission stimulée. Dans ce cas, le photon produit par la désexcitation possède les mêmes propriétés que le photon incident. E1 E2 • n photons hν • n photons hν • n + 1 photons hν • hν J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Emission stimulée En présence de photons de fréquence ν, la désexcitation peut être induite par un photon. On parle d’émission stimulée. Dans ce cas, le photon produit par la désexcitation possède les mêmes propriétés que le photon incident. La probabilité par unité de temps de ce phénomène est proportionnelle au nombre de photons. dN2 N2 stim. = −B n dt E1 E2 • n photons hν • n photons hν • n + 1 photons hν • hν J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Comment ampliﬁer la lumière ? Pour produire des photons identiques il faut que l’émission stimulée soit prépondérante devant l’absorption et l’émission spontanée, ce qui donne deux conditions : 1 Bn ≫A : il faut un suﬃsamment de photons d’où l’intérêt d’une cavité optique. 2 N2 ≫N1 : il faut procéder à une inversion de population. J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de Progression 1 Principe du laser Description Emission stimulée Inversion de population Rôle de la cavité résonante Exemples 2 Applications Télémétrie Lecture CD et DVD Refroidissement laser J. Roussel INTRODUCTION AU LASER Introduction Principe du laser Applications Description Emission uploads/Litterature/ presentation-laser.pdf