Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente la physique fondamentale des sources lasers à l’état solide, incluant les bases de l’émission laser et les propriétés optiques et électroniques des matériaux lasers. Les principales parties traitent spécifiquement des matériaux lasers comme les cristaux et les verres dopés par les ions de transition ou les ions de terres rares, l’histoire, les diagrammes de niveaux d’énergie, la population des niveaux d’énergie, l’inversion de population, les systèmes à 3 et 4 niveaux, les mécanismes d’absorption et d’émission, les émissions spontanées et stimulées, l’amplification, la cavité laser, l’optique des faisceaux lasers gaussiens, les modes et la cohérence des faisceaux lasers.
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Georges BOULON : Professeur des Universités - Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents - Université Claude Bernard Lyon 1 - Unité Mixte de Recherche CNRS 5620
INTRODUCTION
Cet article sur la physique du laser est l’un des six articles relatif à la présentation générale des sources laser à l’état solide qui inclut en outre la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers, les cristaux et l’optique non linéaire, et la génération des impulsions laser d’abord jusqu’à la picoseconde puis jusqu’aux ultra-brèves à l’échelle de la femtoseconde. Il a pour objectif de situer le thème des sources laser à l’état solide et de décrire les principaux paramètres physiques, essentiellement optiques, nécessaires à une bonne compréhension de leur fonctionnement.
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- Version courante de juil. 2016 par Georges BOULON
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Coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite)4. Population d’un niveau d’énergie
4.1 Principe de Boltzmann
La mécanique quantique admet que les mécanismes d’absorption et d’émission s’effectuent indépendamment pour chaque atome isolé. Un photon est émis par un seul atome avec une énergie hν dépendant de la différence des niveaux d’énergie mis en jeux. Cependant, il n’est pas possible d’isoler expérimentalement un atome ou un photon et toutes les expériences font intervenir non seulement un grand nombre de photons que l’on sait évaluer par la densité spectrale énergétique mais aussi une collection d’atomes dont on sait calculer le nombre par unité de volume. Ces atomes sont placés dans le « bain thermique » défini par la température du milieu qui fournit une énergie thermique induisant des transitions d’absorption vers les niveaux excités et conduisant à un équilibre thermique. II faut donc connaître les lois de la mécanique statistique qui régissent cet équilibre à la température T en degrés Kelvin. La statistique conforme à l’expérience est celle de Boltzmann. Le nombre d’atomes n se trouvant dans le niveau d’énergie E est appelé la population du niveau. Il est important de connaître la population des niveaux puisque l’intensité d’un système atomique à 2 niveaux est directement proportionnelle à la différence des populations existantes.
Quand une grande collection d’atomes similaires, sans interaction les uns avec les autres, sont en équilibre à la température T, les populations de chaque niveau E1 et E2 du système à 2 niveaux de la figure 5a, sont reliées par la relation suivante :
- k :
- T est l’énergie thermique, T étant exprimée en degrés Kelvin (K)
- k :
- est la constante de Boltzmann (= 1,38 × 10–23 J × K–1). À la température ambiante (T = 300 K pour 27 ˚C), kT = 0,025 eV = 25 meV (1 eV = 1,6 × 10–19J), ce...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Les Lasers et Leurs Applications Scientifiques et Médicales, - Édition C. Fabre et J. P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996). 1.1 C. Fabre, Les Lasers -Principes Fondamentaux, pp. 1-40. 1.2 G. Boulon, Matériaux pour Lasers à Solide, pp. 259-286. 1.3. H. Monerie, Fibres optiques dopées et applications, pp. 357-382.
-
(2) - BOULON (G.) - Les solides luminescents iorganiques : un dopage réussi. - Numéro spécial de L’Actualité Chimique, no 11 et Lettre des Sciences Chimiques du CNRS, no 72 (1999) pp. 96-105.
-
(3) - KOECHNER (W.) - Solid State Laser Engineering. - Springer, Berlin (1976).
-
(4) - SIEGMANN (A.E.) - An Introduction to Lasers and masers, - Mc Graw Hill, New York (1971).
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(5) - KAMINSKII (A.A.) - Laser Crystals. - Their physics and Spectroscopy, Springer-Verlag (1981) and (1990).
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