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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 - 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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- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
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Coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite)Article inclus dans l'offre
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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...
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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 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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