Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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This article presents the fundamental physics of solid-state laser-type materials, including the basis of laser action and the optical and electronic properties of laser materials. The main parts deal specifically with solid-state laser-type materials such as inorganic crystals and glasses doped with transition metal and rare earth ions: background, energy level diagrams, population of energy levels, inversion of population, 3- and 4-level schemes, absorption and emission mechanisms, spontaneous and stimulated emissions, amplification, the laser resonator, optics of Gaussian laser beams, and modes and coherence of laser beams.
Auteur(s)
-
Georges BOULON : Professeur - Institut Lumière Matière, Unité Mixte de Recherche CNRS 5306 - Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France
INTRODUCTION
Cet article sur les fondements des sources lasers à l’état solide est associé avec trois autres articles sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers [AF3276], les cristaux et l’optique non linéaires [AF3278] et la génération d’impulsions lasers courtes (ns) à ultracourtes jusqu’à la femtoseconde (fs) [AF3282].
Il a pour objectif de présenter 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.
Nous définissons le vocabulaire sur les notions de base comme le pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs, les principaux éléments d’une source laser, les transitions d’absorption et d’émission des centres actifs, la population des niveaux d’énergie et particulièrement des systèmes à 3 et 4 niveaux appliqués aux lasers, les coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite), les sections efficaces d’absorption et d’émission, la durée de vie d’un niveau d’énergie. Enfin, pour la cavité résonnante nous définissons l’intensité émise par le faisceau laser, l’optique des faisceaux gaussiens, les caractéristiques spectrales, les modes et la cohérence.
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KEYWORDS
energy level diagrams | laser materials | dopant ions | laser cavity | coherence
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
DOI (Digital Object Identifier)
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Population d’un niveau d’énergie
En anglais
3. Transitions d’absorption et d’émission des centres actifs
On représente le diagramme des niveaux d’énergie de l’ion actif selon le schéma de la figure 3. Les transitions spectrales observées dans le spectre d’émission sont dessinées par des flèches verticales descendantes. La longueur d’onde λ en nanomètres de l’onde lumineuse (λ = c/ν) et le nombre d’onde σ = 1/λ sont associés au photon d’énergie hν par :
avec :
- h :
- constante de Planck (h = 6,62 × 10–34 J × s),
- ν :
- fréquence,
- c :
- vitesse de la lumière dans le vide (c = 3 × 108 m/s).
Pour fixer un ordre de grandeur, à λ = 5 000 A˚ = 500 nm = 0,5 µm correspond un nombre d’onde σ = 20 000 cm–1, une fréquence égale à 6 × 1014 Hz et donc un photon d’énergie 2,47 eV, c’est-à-dire 4 × 10–19 J.
Inversement un photon dont l’énergie correspond à la différence entre E 1, énergie minimale pour laquelle un ion dans un solide est initialement stable, et celle E n de l’un de ses états excités, peut être absorbé par cet ion :
Les transitions d’absorption sont donc en nombre plus faible que celles d’émission puisque dans les conditions habituelles l’état initial ne peut être que dans le niveau fondamental tandis que, sous excitation par une cause extérieure, l’atome rencontre toutes les possibilités offertes par la série...
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Transitions d’absorption et d’émission des centres actifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(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 inorganiques : 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).
-
(5) - KAMINSKII (A.A.) - Laser Crystals. – Their physics and Spectroscopy, - Springer-Verlag (1981) and (1990).
-
...
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