Le laser hélium-néon

Les lasers usuels utilisés en travaux pratiques sont des lasers à gaz de type He-Ne. Ils émettent en continu un faisceau de lumière rouge à la longueur d'onde λ = 632,8 nm. Certains émettent un faisceau vert (λ = 543 nm). Leur émission est-elle due à une transition électronique de l'hélium ou du néon ? Quel est le rôle de l'autre gaz ?

La transition émise à λ = 632,8 nm est une transition entre deux niveaux élevés du néon, gaz rare de numéro atomique Z = 10. Son état fondamental d'énergie E₀ = 0 est de configuration électronique 1s² 2s² 2p⁶.

Selon la notation spectroscopique actuelle (cf. note ci-dessous), ces niveaux d'énergie E₁ et E₂ sont identifiés par leur configuration électronique et leur nombre quantique de moment cinétique J :

Niveau inférieur           1s² 2s² 2p⁵ 3p          J = 2          E₁ = 18,704625 eV

Niveau supérieur          1s² 2s² 2p⁵ 5s          J = 1          E₂ = 20,663362 eV

À partir de la différence d'énergie E₂ - E₁ = 1,958737 eV, on déduit la fréquence de la radiation émise ν = (E₂ - E₁) / (h e) et la longueur d'onde dans le vide λ_vide = c / ν = 632,98 nm (e représente la charge élémentaire, h la constante de Planck et c la vitesse de la lumière dans le vide). On retrouve bien la longueur d'onde usuelle de la propagation dans l'air λ_air = 632,81 nm, en tenant compte du fait que la longueur d'onde dans le vide est supérieure de 0,17 nm à la longueur d'onde dans l'air.

Le gaz contenu dans le tube du laser est un mélange de gaz rares chimiquement inertes. Le néon est dilué dans l'hélium qui est le constituant majoritaire (90 %). Le pompage qui réalise l'inversion de population profite du fait que l'atome d'hélium dans l'état de configuration 1s 2s, J = 0 a une énergie d'excitation très voisine de la valeur E₂ ci-dessus. Les atomes d'hélium majoritaires sont excités par décharge électrique. Lors des collisions d'un des atomes de néon, minoritaires, initialement dans l'état fondamental, avec un atome d'hélium excité, l'énergie E₂ de l'hélium est transmise au néon. Ceci réalise le « pompage » des atomes de néon vers l'état 2 pour obtenir l'inversion de population, l'état 1 se dépeuplant rapidement par cascade.

Le diagramme très simplifié des niveaux électroniques ne respecte pas l'échelle réelle des énergies.

Figure 1. Schéma des processus énergétiques du laser He-Ne