15.4 Masers et lasers
367
a) Exemple d’inversion de population
À titre d’exemple, considérons la vapeur de sodium à une température de l’ordre de
350 K. Sous l’action d’un champ magnétique, l’état fondamental S 1/2 de l’atome de
sodium comporte deux niveaux d’énergie bien séparés correspondant à deux états
magnétiques, ou états Zeeman (voir chapitre 17), caractérisés par m j = 1/2 et
m j = −1/2. Ces deux états possèdent sensiblement la même population : 50 %
des atomes se trouvent dans l’un des états Zeeman, et 50 % dans l’autre. Le premier
état excité P 1/2 comporte également deux niveaux m
j = 1/2 et m
j = −1/2.
S 1/2
P 1/2
a b
c d
m j = 1/2
m j ' = –1/2
m j = –1/2
m j ' = 1/2
Figure 15.4
La raie D 1 du sodium correspondant aux transitions entre les états S 1/2 et P 1/2
comporte quatre composantes Zeeman qu’on désigne par les lettres a, b, c et d
(figure 15.4). Les deux composantes b et c sont polarisées rectilignement tandis
que les composantes a et d sont polarisées circulairement, dans des sens opposés.
On peut utiliser ces différences de polarisation pour créer une inversion de population dans la vapeur de sodium, c’est-à-dire modifier le nombre d’atomes qui se
trouvent dans un état Zeeman donné. On va faire passer, par exemple, des atomes de
l’état m j = −1/2 à l’état m j = 1/2.
Pour cela, on ne laisse passer dans la lumière excitatrice, à l’aide d’un polariseur,
que la composante d de la raie D 1 émise par une lampe au sodium. Seuls les atomes
qui se trouvent à l’état fondamental m j = −1/2 peuvent absorber cette radiation,
et sont portés à l’état excité m
j = 1/2. On peuple ainsi l’état P 1/2 , m
j = 1/2, à
l’exclusion de l’état m
j = −1/2, obtenant une inversion de population au détriment
de l’état S 1/2 , m j = −1/2.
Cependant même avec une illumination intense et permanente, on ne peut mettre
tous les atomes de la vapeur de sodium dans un état m j = 1/2 car le processus
d’inversion de population est contrarié par un processus spontané de relaxation qui
tend à ramener les populations des deux états Zeeman à leurs valeurs d’équilibre
thermique.
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a) Exemple d’inversion de population
À titre d’exemple, considérons la vapeur de sodium à une température de l’ordre de
350 K. Sous l’action d’un champ magnétique, l’état fondamental S 1/2 de l’atome de
sodium comporte deux niveaux d’énergie bien séparés correspondant à deux états
magnétiques, ou états Zeeman (voir chapitre 17), caractérisés par m j = 1/2 et
m j = −1/2. Ces deux états possèdent sensiblement la même population : 50 %
des atomes se trouvent dans l’un des états Zeeman, et 50 % dans l’autre. Le premier
état excité P 1/2 comporte également deux niveaux m
j = 1/2 et m
j = −1/2.
S 1/2
P 1/2
a b
c d
m j = 1/2
m j ' = –1/2
m j = –1/2
m j ' = 1/2
Figure 15.4
La raie D 1 du sodium correspondant aux transitions entre les états S 1/2 et P 1/2
comporte quatre composantes Zeeman qu’on désigne par les lettres a, b, c et d
(figure 15.4). Les deux composantes b et c sont polarisées rectilignement tandis
que les composantes a et d sont polarisées circulairement, dans des sens opposés.
On peut utiliser ces différences de polarisation pour créer une inversion de population dans la vapeur de sodium, c’est-à-dire modifier le nombre d’atomes qui se
trouvent dans un état Zeeman donné. On va faire passer, par exemple, des atomes de
l’état m j = −1/2 à l’état m j = 1/2.
Pour cela, on ne laisse passer dans la lumière excitatrice, à l’aide d’un polariseur,
que la composante d de la raie D 1 émise par une lampe au sodium. Seuls les atomes
qui se trouvent à l’état fondamental m j = −1/2 peuvent absorber cette radiation,
et sont portés à l’état excité m
j = 1/2. On peuple ainsi l’état P 1/2 , m
j = 1/2, à
l’exclusion de l’état m
j = −1/2, obtenant une inversion de population au détriment
de l’état S 1/2 , m j = −1/2.
Cependant même avec une illumination intense et permanente, on ne peut mettre
tous les atomes de la vapeur de sodium dans un état m j = 1/2 car le processus
d’inversion de population est contrarié par un processus spontané de relaxation qui
tend à ramener les populations des deux états Zeeman à leurs valeurs d’équilibre
thermique.