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Luminescence cristalline appliquée aux sources lasers

Article de référence | Réf : AF3275 v2

Population d’un niveau d’énergie
Sources lasers à l’état solide. Fondements

Auteur(s) : Georges BOULON

Date de publication : 10 juil. 2016

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Diffusion des faisceaux laser par des particules

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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 kelvins. 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 E ₁ et E ₂ du système à 2 niveaux de la figure 5 a sont reliées par la relation suivante :

avec :

T: l’énergie thermique, T étant exprimée en kelvins (K),

k: la constante de Boltzmann (1,38 × 10^–23 J × K^–1). À la température ambiante (T = 300 K pour 27 ˚C),...

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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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - CONTEXTE

1.1 - Pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs
1.2 - Quelques grands projets de laser à l’état solide

2 - PRINCIPAUX ÉLÉMENTS D’UNE SOURCE LASER

3 - TRANSITIONS D’ABSORPTION ET D’ÉMISSION DES CENTRES ACTIFS

4 - POPULATION D’UN NIVEAU D’ÉNERGIE

4.1 - Principe de Boltzmann
4.2 - Problème de l’inversion de population
4.3 - Schéma de centres respectivement à 3 et 4 niveaux
4.4 - Pompage optique des matériaux inorganiques dopés par des ions luminescents

5 - COEFFICIENTS D’EINSTEIN D’ABSORPTION, D’ÉMISSION SPONTANÉE ET D’ÉMISSION STIMULÉE (OU INDUITE)

5.1 - Mécanisme d’absorption
5.2 - Mécanisme d’émission spontanée et durée de vie d’un niveau excité
5.3 - Mécanisme d’émission stimulée (ou induite)
5.4 - Coefficients d’absorption et d’amplification
5.5 - Sections efficaces d’absorption et d’émission stimulée

6 - CAVITÉ RÉSONNANTE ET INTENSITÉ ÉMISE PAR LE FAISCEAU LASER

6.1 - Optique des faisceaux gaussiens
6.2 - Caractéristiques spectrales du faisceau laser
6.3 - Modes du laser
6.4 - Cohérence des faisceaux
6.5 - Quelques clarifications : valeurs de largeurs de raies expérimentales de l’émission de fluorescence