5. Systèmes à nombre de niveaux fini
185
longueur optique L de la cavité doit être un multiple entier de la longueur
d’onde λ
L = pλ
p =1, 2, ···
(5.80)
ou, en terme de fréquences,
ω p =
2πc
L
pp =1, 2, ···
(5.81)
Il est généralement possible de sélectionner une longueur d’onde unique, ce
qui donne un laser monomode. Grâce à l’utilisation de miroirs concaves, le
faisceau laser possède une extension transverse finie et son ouverture angulaire
à grande distance est, en raison de la diffraction, de l’ordre de λ/d,o ùd est
la dimension transverse minimale, ou col, du faisceau.
Il existe plusieurs mécanismes permettant de réaliser l’inversion de population. Nous nous contenterons de décrire le mécanisme le plus simple, qui
repose sur l’utilisation d’un système à quatre niveaux d’énergie : E 0 (fondamental), E 3 (excité), E 1 et E 2 (niveaux intermédiaires), voir la figure 5.19. Les
atomes (ou molécules...) sont portés par pompage optique dans le niveau E 3
avec un taux w. Une relaxation rapide amène ensuite l’atome dans le niveau
E 2 , choisi tel que la relaxation de E 2 vers E 1 soit lente. Enfin, une relaxation
rapide conduit de E 1 à E 0 . Si on appelle Γ i les taux de relaxation, on doit
donc s’arranger pour avoir
Γ 1 , Γ 3 ≫ Γ 2
(5.82)
w
E 2
Γ 2
E 0
E 3
Γ 3
E 1
Γ 1
Fig. 5.19 – Schéma d’un mécanisme d’inversion de population à 4 niveaux.
En régime non saturé, on peut négliger l’émission stimulée ou l’absorption
entre les niveaux E 2 et E 3 , de sorte que les équations cinétiques pour les
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longueur optique L de la cavité doit être un multiple entier de la longueur
d’onde λ
L = pλ
p =1, 2, ···
(5.80)
ou, en terme de fréquences,
ω p =
2πc
L
pp =1, 2, ···
(5.81)
Il est généralement possible de sélectionner une longueur d’onde unique, ce
qui donne un laser monomode. Grâce à l’utilisation de miroirs concaves, le
faisceau laser possède une extension transverse finie et son ouverture angulaire
à grande distance est, en raison de la diffraction, de l’ordre de λ/d,o ùd est
la dimension transverse minimale, ou col, du faisceau.
Il existe plusieurs mécanismes permettant de réaliser l’inversion de population. Nous nous contenterons de décrire le mécanisme le plus simple, qui
repose sur l’utilisation d’un système à quatre niveaux d’énergie : E 0 (fondamental), E 3 (excité), E 1 et E 2 (niveaux intermédiaires), voir la figure 5.19. Les
atomes (ou molécules...) sont portés par pompage optique dans le niveau E 3
avec un taux w. Une relaxation rapide amène ensuite l’atome dans le niveau
E 2 , choisi tel que la relaxation de E 2 vers E 1 soit lente. Enfin, une relaxation
rapide conduit de E 1 à E 0 . Si on appelle Γ i les taux de relaxation, on doit
donc s’arranger pour avoir
Γ 1 , Γ 3 ≫ Γ 2
(5.82)
w
E 2
Γ 2
E 0
E 3
Γ 3
E 1
Γ 1
Fig. 5.19 – Schéma d’un mécanisme d’inversion de population à 4 niveaux.
En régime non saturé, on peut négliger l’émission stimulée ou l’absorption
entre les niveaux E 2 et E 3 , de sorte que les équations cinétiques pour les