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Auteur(s)
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René JOECKLÉ : Ancien chef de la division Lasers, optronique, sensorique de l’Institut de recherches franco-allemand de Saint-Louis (ISL)
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Les lasers à gaz ont été découverts presque simultanément aux lasers à solide : dans l’infrarouge, le laser à CO2 a été découvert par Patel. Dans le visible, le laser à hélium-néon (He-Ne) connut aussitôt un grand développement. Ces lasers nécessitent un équipement technique relativement simple : l’excitation est obtenue par une décharge électrique haute tension dans un gaz basse pression (généralement un tube scellé dans le cas du laser He-Ne). Le rayonnement laser est généralement continu, ce qui était, au début, la caractéristique unique des lasers à gaz.
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Lasers à gaz atomiques
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2. Modes d’excitation des lasers à gaz
2.1 Niveaux d’énergie dans les molécules
Les niveaux d’énergie atomiques ont été décrits dans l’article Physique du laser ; certains lasers à gaz fonctionnant sur les niveaux de vibration-rotation des molécules, une description sommaire de ces niveaux et de leur population est nécessaire pour la compréhension des inversions de population dans les lasers moléculaires.
Les molécules gazeuses ont un (molécules diatomiques) ou plusieurs modes de vibration v ; dans chaque mode existe des niveaux de vibration ; enfin, chaque niveau de rotation se subdivise en niveaux de rotation. Les transitions entre niveaux s’effectuent en respectant des règles de sélection quantique :
Δv = 1 et ΔJ = 0, 1L’énergie de translation (énergie thermique) est quasiment continue.
L’énergie de vibration est égale (en première approximation) au produit ωv, où ω est la constante de vibration.
L’énergie de rotation est égale au produit BJ (J + 1) ; dans lequel B est la constante de rotation.
La multiplicité des niveaux est de (2J + 1).
Avec k la constante de Boltzmann et T la température, on peut écrire la loi de Boltzmann décrivant la répartition de population Nv,J des molécules dans les niveaux de vibration-rotation v, J comparée à celle du niveau fondamental N0,0 (v = J = 0) :
Au cas où un ensemble de molécules subit une variation d’énergie importante, sa température va changer et les populations de niveaux de vibration rotation vont être modifiées par des échanges énergétiques au cours des collisions entre molécules (AB) ou entre des molécules (AB) et des tiers-corps (M) : il s’agit de réactions de relaxation de deux types :
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