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Mots-clés

laser laser He-Ne transition électronique pompage inversion de population gaz rare niveau d'énergie

Le laser hélium-néon

Marie-Christine Artru

Centre de recherche d'astrophysique de Lyon, ENS Lyon

Catherine Simand

18/02/2011

Résumé

Un article du dossier « Les lasers en questions ». L'émission du laser He-Ne est-elle due à une transition électronique de l'hélium ou du néon ? Quel est le rôle de l'autre gaz ?


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 λvide = 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 λair = 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.

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

Schéma des processus énergétiques du laser He-Ne

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


De nombreuses descriptions du laser He-Ne notent 2p et 3s les niveaux E1 et E2. Il s'agit d'une notation ancienne introduite en spectroscopie expérimentale (notamment par Paschen en 1919). Depuis lors, les résultats de la mécanique quantique ont abouti à une désignation systèmatique des niveaux d'énergie des atomes, adoptée par toutes les bases de données spectrocopiques (voir par exemple www.nist.gov/pml/pubs/atspec/). La notation symbolique indique alors les valeurs propres correspondant au couplage des moments angulaires de rotation et de spin des électrons liés.