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LASER MASER niveaux d'énergie électron photon

Histoire et principe de fonctionnement du MASER et du LASER

Bernard Cagnac

Laboratoire Kastler Brossel, Paris IV

Delphine Chareyron

ENS de Lyon

Delphine Chareyron

20/10/2017

Résumé

Cet article présente l'invention des premiers LASER, il est inspiré de « Pré-histoire et histoire du LASER », une conférence de Bernard Cagnac donnée le 3 mars 2010 pour le cycle de conférences « Physique au Printemps », à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon.


1. La pré-histoire du LASER

1.1 Historique

L'histoire du LASER commence dans les années 1800 avec la modification du concept de la lumière.

En 1801, Thomas Young remet en question l'interprétation corpusculaire de la lumière. Grâce à sa célèbre expérience des fentes d'Young il met en évidence le comportement ondulatoire de la lumière.

Voir la vidéo sur « Les fentes d'Young » de la collection « La physique animée ».

La théorie ondulatoire de la lumière va ensuite être appuyée par les travaux de Augustin Fresnel et François Arago. En juillet 1849, Hippolyte Fizeau réalise une mesure la vitesse de la lumière dans l'air en utilisant une roue dentée tournant à vitesse constante. Il trouve une vitesse proche de 315 300 km/s.

En 1864, James Clerk Maxwell publie la théorie de l'électromagnétisme. Ainsi il montre que la lumière est une perturbation électromagnétique qui se propage dans l'espace. Il trouve une vitesse de 310 740 km/s.

Le caractère ondulatoire de la lumière semble alors admis lorsque Max Planck, en 1900, cherche à expliquer les phénomènes d'incandescence. Il montre que l'énergie lumineuse ne s'échange pas avec la matière d'une façon continue, mais par paquets d'énergie qu'il appelle quanta. L'énergie est donnée par la formule E =  avec ν la fréquence du rayonnement et h = 6,62.1034, appelée de fait, constante de Planck. En 1905, Albert Einstein décrit l'effet photoélectrique. Il montre que chaque corpuscule de lumière a une énergie déterminée. Cette énergie est égale au produit de la fréquence de la lumière par la constante h.

Max Planck va recevoir le prix Nobel de physique en 1918 pour ses travaux sur la théorie des quanta, Albert Einstein recevra lui-aussi le prix Nobel de physique en 1921 pous son explication de l'effet photoélectrique.

1.2 Niveaux d'énergie atomiques

Puis, Niels Bohr, en 1922, va recevoir le prix Nobel pour son apport à l'édification de la mécanique quantique. Il présente une théorie selon laquelle l'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans cette représentation planétaire des électrons, plus les électrons sont éloignés du noyau, plus leur énergie est importante. Les électrons ont la possibilité de passer d'un niveau à un autre en émettant un quantum d'énergie : un photon.

Sur la figure 1 sont représentés deux niveaux d'énergie d'un atome. Il faut apporter de l’énergie à l’atome pour faire sauter les électrons sur des niveaux supérieurs. Cette énergie doit être de plus en plus grande lorsqu’on s’éloigne du noyau.

Figure 1 : Représentation de deux niveaux d'énergie d'un atome.

Chaque niveau est caractérisé par son énergie, sa population et sa durée de vie (c'est-à-dire le temps caractéristique de dépeuplement de ce niveau). Lorsqu'un atome est excité par un apport extérieur d'énergie, les électrons passent sur des niveaux d'énergie supérieurs. La durée de vie sur ces niveaux est très faible, ils retournent spontanément sur un niveau inférieur en émettant un photon de fréquence ν telle que E2 - E1 = .

1.3 Interactions entre les atomes et le rayonnement

En 1913, on ne connaissait que deux processus d’interaction entre les atomes et le rayonnement : l’absorption et l’émission spontanée.

  • Lors de l’absorption, figure 2, l’atome passe de l'état fondamental d'énergie E1 à l'état excité d’énergie E2 en absorbant un photon. Un photon a disparu de l’onde incidente, celle-ci se trouve atténuée.
  • Lors de l’émission spontanée, figure 3, l’atome initialement dans l'état excité d'énergie E2 redescend dans l'état fondamental d'énergie E1 en émettant un photon. Ce photon est émis dans une direction aléatoire au bout d’un temps lui aussi aléatoire. Le niveau 2 se dépeuple au profit du niveau 1. La probabilité ou taux d'émission spontanée par atome et par unité de temps, notée A2->1, est nommée coefficient d'Einstein.

Figure 2 : Absorption.

Figure 3 : Émission spontanée.

L'expérience de résonance optique avec du sodium est présentée sur le schéma et le film de la figure 4. Une lampe à sodium délivre un faisceau de lumière qui passe dans un ballon rempli de vapeur de sodium.

Le principe de l'expérience repose sur le fait que les atomes de vapeur de sodium absorbent les photons de fréquence ν de telle sorte qu'ils passent de l'état fondamental E1 à l'état excité E2. Les atomes excités redescendent ensuite spontanément à l'état fondamental en ré-émettant des photons dont la longueur d'onde correspond exactement à la différence d'énergie E2-E1. À la sortie du ballon, l'onde émergente est atténuée (à cause du phénomène d'absorption) et on observe une émission spontanée produite dans toutes les directions.

Figure 4 : Schéma et film de l'expérience de résonance optique avec du sodium.

2. L'histoire du LASER

2.1 L'idée d'Albert Einstein

Dans un article publié en 1917, Albert Einstein introduit un troisième processus : l’émission stimulée. Il s’agit du processus inverse de l’absorption, se produisant, comme elle, en présence de rayonnement incident résonant avec la fréquence de transition des atomes.

Lors de l'émission stimulée, figure 5, un photon d'énergie induit la désexcitation d'un atome du niveau 2 vers le niveau 1. Celle-ci s'accompagne de l'émission d'un photon inducteur de même fréquence, même direction de propagation et même état de polarisation. Le faisceau incident de lumière « s'enrichit » en photons identiques pour venir créer une amplification de la lumière. Le photon créé par émission stimulée possède les mêmes propriétés que le photon « déclencheur » (fréquence, phase, direction de propagation, état de polarisation).

Figure 5 : Emission stimulée.

Cependant pour que le processus d'absorption ne cache pas le processus d'émission il est nécessaire qu'il y ait plus d'atomes dans l'état haut que dans l'état bas. Or, dans la matière les particules sont beaucoup plus nombreuses dans l'état fondamental que dans un état excité. Il a alors fallu trouver un moyen de renverser la tendance thermique pour obtenir, dans le milieu, plus de particules dans un état excité que dans un état fondamental, c'ést-à-dire réaliser une inversion de population.

Cela semblait irréalisable car le coefficient de probabilité de retombée spontanée des atomes A2->1 est très grand : de 106 à 109 par seconde. Albert Einstein avait notamment montré que cette probabilité était proportionnelle au cube de la fréquence.

2.2 L'invention du premier MASER

Finalement Charles Hard Townes a utilisé l'idée d'Eistein pour construire son premier appareil, en 1954. Il se sera passé presque 40 ans pour passer de l'imagination d'Einstein à la réalisation pratique de l'émission stimulée. Charles Townes travaillait sur la microscopie micro-onde des molécules à l'aide d'oscillateurs électroniques. Ainsi en passant de la lumière, c'est-à-dire des fréquences de 106 Ghz, aux micro-ondes, fréquences de l'ordre du GHz, la probabilité de retombée spontanée des atomes se trouve divisée par un million au cube !

Charles Townes utilisait des molécules d'ammoniac pour réaliser une transition entre deux états E2 et E1 tels que E2 - E1 ≃ 1 μV

Le rapport entre les occupations des niveaux E2 et E1 est donné par la loi de Boltzmann :

N 2 N 1 = exp ( E 2 E 1 kT ) {N_{2}} over {N_{1}}= exp(-{{E_2-E_1} over {kT} } )

Pour une temptérature T = 300°K et la constante de Boltzmann = 8,61.10-3 eV/K, on trouve N2/N1 ≃ 0,98. C'est-à-dire qu'il disposait environ d'autant de molécules dans l'état E2 que dans l'état E1.

Toute l'astuce de son appareil résidait dans le fait que les atomes dans les niveaux d'énergie E1 et E2 n'ont pas le même moment dipolaire électrique. Il a proposé de créer un gradient de champ électrique afin que les atomes dans ces deux niveaux d'énergie ne soient pas déviés de la même façon, figure 6. Il a choisi de dévier les atomes qui se trouvent dans le niveau E1 contre une paroi refroidie à l'azote liquide, pour les solidifier. Les atomes dans l'état E2 étaient, par contre, dirigés vers un orifice pour venir tomber dans un guide d'onde, dans lequel se trouvait l'onde incidente. Par la suite, l'onde radar émise ressortait amplifiée. Charles Townes a appelé son appareil Microwave Amplifiery by Stimulated Emission of Radiation.

Figure 6 : Principe de fonctionnement du MASER à ammoniac

2.3 Un pas vers le LASER

Charles Townes a ensuite réfléchi à la manière de transposer son appareil utilsant les micro-ondes à des fréquences plus grandes. En 1958 il publie, avec son nouveau collaborateur Arthur Schawlow, un article qui présente une nouvelle idée pour réaliser l'inversion de population : le pompage optique. Charles Townes avait bénéficié, en 1955, d'une année sabatique au cours de laquelle il avait passé plusieurs mois dans un laboratoire de l'ENS de la rue d'IUlm à Paris avec Albert Kastler. Dans ce laboratoire, Albert Kastler utilisait le pompage optique pour orienter le moment magnétique d'atomes avec de la lumière polarisée.

Les électrons d'un atome possèdent deux états quantiques, un spin up et un spin down. Ils n'ont pas la même énergie, on décrit ainsi deux niveaux d'énergie magnétique. À l'aide de la lumière polarisée Albert Kastler arrivait à transmettre de la rotation aux atomes. Il était ainsi capable de faire passer les atomes d'un niveau d'énergie à un autre en utilisant une sorte de pompage optique.

Charles Townes avait eu le préssentiment qu'il était possible de généraliser le pompage optique pour fabriquer le LASER.

Figure 7 : Principe du pompage et de l'émission

3. Le pompage optique dans le LASER

Le schéma de gauche, figure 8, correspond au fonctionnement du premier LASER fabriqué en 1960 par Théodore Maiman. Il était réalisé à l'aide d'un rubis dopé avec des ions Chrome.

Le pompage est déclenché par un flash de lumière blanche. Les radiation jaunes, vertes et violettes du flash sont absorbée par les ions Chrome qui changent de niveau d'énergie. On a donc une très grande partie du spectre de la lumière blanche qui est utilisée pour faire monter les atomes dans des niveaux électroniques plus élevés (le continuum).

Figure 8 : Pompage optique de différents LASER

Grâce à la largeur de bande offerte par le cristal dopé, seul 10% de la lumière blanche suffit à réaliser l'inversion de population. Les atomes dans le continuum redescendent spontanément par échange d'énergie avec les vibrations thermiques dans le cristal jusqu'à se retrouver très rapidement dans le bas de la bande d'énergie. C'est de cette manière qu'est réalisée l'inversion de population.

Le rubis est un cas particulier, pour la pluspart des LASER, l'inversion de population est réalisée entre un niveau très excité et un niveau excité plus bas qui n'est pas l'état fondamental (figure 8, exemple du LASER à 4 niveaux ou du LASER accordable).

Par la suite les LASER sont devenus accordables grâce à de nouveaux colorants élaborés par les chimistes afin de faire varier les longueurs d'onde.

Voir la conférence « Pré-histoire et histoire du LASER », par Bernard Cagnac, dont est inspiré cet article.

Lire le discours de Charles Townes lors de sa remise du Prix Nobel de physique