🔴 Le laser : émission stimulée et inversion de population
Un photon frappe un atome excité… et ils repartent à deux, parfaitement identiques ! C'est l'émission stimulée, prédite par Einstein en 1917. Pour en faire un laser, il faut des atomes plus souvent excités qu'au repos, ce qui n'a rien de naturel, et deux miroirs pour faire tourner la lumière en boucle. À toi de lancer la réaction en chaîne.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- La lampe de pompage fait monter des atomes (gris) vers les niveaux excités : violet pour E₃, orange pour E₂. Depuis E₃, ils retombent très vite sur E₂, un niveau « métastable » où ils restent longtemps.
- Un atome de E₂ finit par se désexciter seul (émission spontanée) : le photon part dans une direction au hasard et la plupart quittent le cristal par les côtés.
- Quand un photon passe sur un atome de E₂, il peut déclencher l'émission stimulée : un photon jumeau, de même direction et de même phase, apparaît. Sur un atome de E₁, au contraire, il peut être absorbé.
- Si N₂ > N₁ (inversion de population), les photons qui font des allers-retours entre les miroirs se multiplient : un faisceau sort par le miroir semi-réfléchissant, fait presque uniquement de photons stimulés, tous en phase.
- Avec 2 niveaux seulement, la lumière de pompe excite et désexcite les atomes avec la même probabilité : N₂ s'approche de N₁ sans jamais le dépasser.
Expériences à faire
- Augmente doucement le pompage : à partir de quelle valeur l'inversion apparaît-elle ? Et l'effet laser ?
- Ôte les miroirs avec un fort pompage : que deviennent l'inversion et le faisceau ? Remets-les ensuite.
- Baisse la réflexion du miroir de sortie de 90 % à 50 % : le laser démarre-t-il toujours ? Combien de photons restent dans la cavité ?
- Pendant l'effet laser, l'inversion N₂ − N₁ reste-t-elle grande ? Pourquoi est-elle comme « bloquée » près de zéro ? Coche ✏️ Mes valeurs et raccourcis la durée de vie τ₂ : l'inversion est-elle plus difficile à obtenir ?
- Passe à 2 niveaux et pompe au maximum : peux-tu dépasser N₂ = N₁ ?
La physique derrière l'animation
- Trois interactions lumière-matière entre deux niveaux E₁ < E₂ : absorption (E₁ → E₂), émission spontanée (E₂ → E₁, direction et phase au hasard) et émission stimulée (un photon d'énergie hν = E₂ − E₁ provoque l'émission d'un photon identique).
- Absorption et émission stimulée ont la même probabilité par atome (coefficients d'Einstein B₁₂ = B₂₁ pour des niveaux de même dégénérescence) : la lumière n'est amplifiée que si N₂ > N₁, c'est l'inversion de population.
- À l'équilibre thermique, N₂/N₁ = e−(E₂ − E₁)/(kBT) < 1 : l'inversion exige un pompage. Avec 2 niveaux, le pompage donne au mieux N₂/N₁ = Wpτ₂/(1 + Wpτ₂) < 1 ; avec 3 niveaux (rubis), on pompe vers E₃ qui se vide très vite dans E₂, métastable.
- La cavité (deux miroirs, dont un de sortie partiellement transparent) renvoie la lumière dans le milieu amplificateur : l'effet laser démarre quand le gain sur un aller-retour compense les pertes, dont la fraction 1 − R qui sort.
- Laser à rubis : λ = 694 nm, durée de vie de E₂ ≈ 3 ms. Ici le temps est énormément ralenti, la lumière dessinée très lente et le cristal ne compte que 60 atomes, d'où des fluctuations.
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