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15 • Transition sous l’action d’une perturbation
Cette technique d’inversion de population est un exemple de pompage optique
ainsi appelé par analogie avec le pompage d’une masse d’eau qui augmente son énergie potentielle en l’élevant au-dessus de son niveau primitif. Le principe du pompage
optique a été indiqué dès 1949 par Alfred Kastler, prix Nobel de physique en 1966.
La résonance magnétique, étudiée au cours du chapitre 17, est un autre exemple
de pompage optique permettant de changer la répartition des états atomiques d’une
population par application à un échantillon de matière d’un champ magnétique de
haute fréquence.
b) Laser à trois niveaux
Il peut être intéressant de stocker des états excités sur un niveau intermédiaire entre
l’état supérieur excité par le pompage optique et le niveau inférieur d’origine. C’est
le cas des lasers à trois ou quatre niveaux.
Un exemple à trois niveaux est celui du laser à cristal d’alumine contenant des
ions chrome (rubis rose). En absorbant une lumière verte, les ions du cristal qui se
trouvent dans l’état fondamental E 0 passent à l’un des états E 1 d’un ensemble de
niveaux excités très voisins (figure 15.5).
E 0
E 2
E 1
Figure 15.5
Par suite de chocs non radiatifs, l’état excité E 1 cède une
part de son énergie à un niveau intermédiaire E 2 dont les
probabilités de transition spontanée E 2 − E 0 sont bien
inférieures à celles d’une transition E 1 − E 0 . L’état intermédiaire E 2 permet ainsi de réaliser un stockage d’énergie provenant de cette inversion de population, l’émission stimulée ayant lieu ensuite entre les niveaux E 2 et
E 0 .
15.4.3 Émission stimulée
Dans le cas du maser à ammoniac, c’est un photon du champ électrique qui stimule
le passage de l’état |w A à l’état |w S à l’intérieur de la cavité hyperfréquence.
Pour les lasers, ce sont également des photons qui vont induire le passage de l’état
excité E d’un atome à son état antérieur E 0 . La fréquence n du photon inducteur qui
va stimuler le passage de E à E 0 doit être telle que n = (E − E 0 )/h. La désexcitation
de l’atome engendre alors l’émission d’un photon induit qui présente les propriétés
remarquables d’être en phase avec le photon inducteur, et d’être émis dans la même
direction et le même sens que ce dernier. L’émission induite ne se distingue donc pas
du photon inducteur, et constitue ainsi une amplification du rayonnement inducteur.
Pour obtenir un effet d’amplification important, il faut que les photons rencontrent
un grand nombre d’atomes excités, et, par conséquent, que le parcours des photons
dans le milieu où a été effectuée l’inversion de population soit assez long. Ceci est
obtenu grâce à des réflexions successives sur deux miroirs parallèles, ou par d’autres
dispositifs analogues. L’un des miroirs est parfaitement réfléchissant alors que l’autre
15 • Transition sous l’action d’une perturbation
Cette technique d’inversion de population est un exemple de pompage optique
ainsi appelé par analogie avec le pompage d’une masse d’eau qui augmente son énergie potentielle en l’élevant au-dessus de son niveau primitif. Le principe du pompage
optique a été indiqué dès 1949 par Alfred Kastler, prix Nobel de physique en 1966.
La résonance magnétique, étudiée au cours du chapitre 17, est un autre exemple
de pompage optique permettant de changer la répartition des états atomiques d’une
population par application à un échantillon de matière d’un champ magnétique de
haute fréquence.
b) Laser à trois niveaux
Il peut être intéressant de stocker des états excités sur un niveau intermédiaire entre
l’état supérieur excité par le pompage optique et le niveau inférieur d’origine. C’est
le cas des lasers à trois ou quatre niveaux.
Un exemple à trois niveaux est celui du laser à cristal d’alumine contenant des
ions chrome (rubis rose). En absorbant une lumière verte, les ions du cristal qui se
trouvent dans l’état fondamental E 0 passent à l’un des états E 1 d’un ensemble de
niveaux excités très voisins (figure 15.5).
E 0
E 2
E 1
Figure 15.5
Par suite de chocs non radiatifs, l’état excité E 1 cède une
part de son énergie à un niveau intermédiaire E 2 dont les
probabilités de transition spontanée E 2 − E 0 sont bien
inférieures à celles d’une transition E 1 − E 0 . L’état intermédiaire E 2 permet ainsi de réaliser un stockage d’énergie provenant de cette inversion de population, l’émission stimulée ayant lieu ensuite entre les niveaux E 2 et
E 0 .
15.4.3 Émission stimulée
Dans le cas du maser à ammoniac, c’est un photon du champ électrique qui stimule
le passage de l’état |w A à l’état |w S à l’intérieur de la cavité hyperfréquence.
Pour les lasers, ce sont également des photons qui vont induire le passage de l’état
excité E d’un atome à son état antérieur E 0 . La fréquence n du photon inducteur qui
va stimuler le passage de E à E 0 doit être telle que n = (E − E 0 )/h. La désexcitation
de l’atome engendre alors l’émission d’un photon induit qui présente les propriétés
remarquables d’être en phase avec le photon inducteur, et d’être émis dans la même
direction et le même sens que ce dernier. L’émission induite ne se distingue donc pas
du photon inducteur, et constitue ainsi une amplification du rayonnement inducteur.
Pour obtenir un effet d’amplification important, il faut que les photons rencontrent
un grand nombre d’atomes excités, et, par conséquent, que le parcours des photons
dans le milieu où a été effectuée l’inversion de population soit assez long. Ceci est
obtenu grâce à des réflexions successives sur deux miroirs parallèles, ou par d’autres
dispositifs analogues. L’un des miroirs est parfaitement réfléchissant alors que l’autre