15.4 Masers et lasers
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15.4 MASERS ET LASERS
15.4.1 Maser à ammoniac
Le terme maser est le sigle de Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, c’est-à-dire amplification de micro-ondes par émission induite de rayonnement.
Le premier maser à ammoniac a été réalisé par Charles Townes en 1954 ; il reçut le
prix Nobel de physique pour cette réalisation en 1964. Si le maser à ammoniac n’est
pratiquement plus employé, il reste d’un intérêt historique évident. De plus, il permet
de comprendre simplement le principe fondamental de tous les masers et lasers, et
c’est la raison pour laquelle nous rappelons les grandes lignes de cette première
technique. Au cours de l’exercice 15.3 on calculera certaines caractéristiques de ce
maser.
a) Molécule d’ammoniac
Rappelons que la molécule d’ammoniac, NH 3 , a la forme d’une pyramide à base triangulaire ainsi que le montre la figure 1.5 (exercice 1.2). L’atome d’azote peut passer
de part et d’autre du plan dans lequel sont situés les trois atomes d’hydrogène, la molécule effectuant ainsi un « retournement » sur elle-même. Les niveaux d’énergie de
retournement de cette molécule ainsi que les états correspondants ont été étudiés au
cours de l’exercice 1.2.
Fig.
1.12
E
E 01
E 02
E S1
E A1
E S 2
E A2
2A
2B
Figure 15.2
On obtient une série de niveaux d’énergie qui
se groupent par deux, notés E A et E S , correspondant respectivement à un état w A (x), appelé état antisymétrique, et w S (x), état symétrique. La figure 15.2 montre qu’on a, pour
tous les niveaux, E A > E S . À température ambiante, la probabilité de trouver la molécule
dans un état d’énergie supérieure aux deux
premiers niveaux, est très faible. Nous considérerons par la suite uniquement ce deux niveaux les plus bas que nous noterons E A et E S .
La molécule d’ammoniac possède un moment dipolaire électrique porté par l’axe de
symétrie de la molécule, et qui change de sens
lors du retournement de la molécule.
b) Principe du maser à ammoniac
La technique du maser à ammoniac consiste à former un jet de molécules d’ammoniac, celles-ci se trouvant dans un état |w A ou |w S . Les molécules du jet traversent
un champ électrique intense et inhomogène
− →
E , et sont défléchies différemment selon
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15.4 MASERS ET LASERS
15.4.1 Maser à ammoniac
Le terme maser est le sigle de Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, c’est-à-dire amplification de micro-ondes par émission induite de rayonnement.
Le premier maser à ammoniac a été réalisé par Charles Townes en 1954 ; il reçut le
prix Nobel de physique pour cette réalisation en 1964. Si le maser à ammoniac n’est
pratiquement plus employé, il reste d’un intérêt historique évident. De plus, il permet
de comprendre simplement le principe fondamental de tous les masers et lasers, et
c’est la raison pour laquelle nous rappelons les grandes lignes de cette première
technique. Au cours de l’exercice 15.3 on calculera certaines caractéristiques de ce
maser.
a) Molécule d’ammoniac
Rappelons que la molécule d’ammoniac, NH 3 , a la forme d’une pyramide à base triangulaire ainsi que le montre la figure 1.5 (exercice 1.2). L’atome d’azote peut passer
de part et d’autre du plan dans lequel sont situés les trois atomes d’hydrogène, la molécule effectuant ainsi un « retournement » sur elle-même. Les niveaux d’énergie de
retournement de cette molécule ainsi que les états correspondants ont été étudiés au
cours de l’exercice 1.2.
Fig.
1.12
E
E 01
E 02
E S1
E A1
E S 2
E A2
2A
2B
Figure 15.2
On obtient une série de niveaux d’énergie qui
se groupent par deux, notés E A et E S , correspondant respectivement à un état w A (x), appelé état antisymétrique, et w S (x), état symétrique. La figure 15.2 montre qu’on a, pour
tous les niveaux, E A > E S . À température ambiante, la probabilité de trouver la molécule
dans un état d’énergie supérieure aux deux
premiers niveaux, est très faible. Nous considérerons par la suite uniquement ce deux niveaux les plus bas que nous noterons E A et E S .
La molécule d’ammoniac possède un moment dipolaire électrique porté par l’axe de
symétrie de la molécule, et qui change de sens
lors du retournement de la molécule.
b) Principe du maser à ammoniac
La technique du maser à ammoniac consiste à former un jet de molécules d’ammoniac, celles-ci se trouvant dans un état |w A ou |w S . Les molécules du jet traversent
un champ électrique intense et inhomogène
− →
E , et sont défléchies différemment selon