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Pourquoi les atomes dans des états de haute énergie sont-ils si rares en équilibre thermique ?
En physique, l'importance de l'équilibre thermique et de la répartition des états énergétiques dans les phénomènes naturels va de soi. Lorsque nous discutons de l’état énergétique d’un système (comme un atome), nous rencontrons souvent le concept de « renversement de population ». Ceci est particulièrement important dans la science des lasers, car le fonctionnement des lasers nécessite une distribution d'énergie particulière, c'est-à-dire qu'il doit y avoir plus d'atomes dans les états de haute énergie que d'atomes dans les états de basse énergie. Cependant, dans le cas de l’équilibre thermique, cela s’avère extrêmement difficile.
"Dans un état d'équilibre thermique, le nombre d'atomes de haute énergie est presque négligeable."
Pour comprendre cela, vous devez d'abord considérer la distribution de Boltzmann. Selon les statistiques de Boltzmann, dans un système en équilibre thermique, ce qu'on appelle la distribution des niveaux d'énergie est déterminée par le rapport des particules occupant différents états énergétiques. Dans un milieu laser composé d’atomes, ces atomes peuvent exister dans deux états énergétiques : l’état fondamental et l’état excité. L'énergie de l'état fondamental est inférieure à celle de l'état excité, donc à température ambiante, le nombre d'atomes dans l'état fondamental est généralement beaucoup plus élevé que celui de l'état excité selon le facteur de Boltzmann.
On sait qu'à mesure que la température augmente, certains atomes gagnent de l'énergie en absorbant des photons et entrent dans un état excité. Mais même ainsi, lorsque le système atteint l’équilibre thermique, le nombre d’atomes à l’état excité (N2) ne dépassera jamais le nombre d’atomes à l’état fondamental (N1). Comme vous pouvez l’imaginer, il s’agit d’un défi face aux lois de la nature.
"Un renversement démographique ne peut être obtenu que dans un état de non-équilibre."
Le principe du laser repose sur trois interactions de la lumière : l'absorption, le rayonnement naturel et l'émission stimulée. Lorsqu'un faisceau de lumière traverse un groupe d'atomes, si la fréquence de la lumière correspond à une certaine différence d'énergie, les atomes à l'état fondamental absorberont les photons et passeront à l'état excité. Cependant, ce processus s'accompagne également de l'apparition d'émissions spontanées et d'émissions stimulées, ce qui complique le processus d'échange de photons. Si le nombre d'atomes dans l'état fondamental est grand, le processus d'absorption domine, entraînant une atténuation de la lumière, tandis que si le nombre d'atomes dans l'état excité est grand, une augmentation de la lumière et une génération de lumière laser se produiront.
C'est pourquoi, dans le processus de mise en œuvre des lasers, des méthodes indirectes, telles que le pompage optique, sont souvent nécessaires pour parvenir à un renversement durable de la population. Dans les lasers à trois ou quatre niveaux, en excitant sélectivement un certain niveau d'énergie, seuls quelques atomes à l'état de haute énergie sont maintenus, obtenant ainsi les avantages du système laser.
"Les lasers à trois et quatre niveaux démontrent différents principes de pompage et d'amplification, et leurs différences d'efficacité reflètent la manière d'atteindre un équilibre entre les états de haute énergie et les états fondamentaux."
Il convient de noter que dans de nombreux systèmes, les règles de sélection limitent les possibilités de transfert d'énergie, dont nous devons tenir compte lors de la fabrication de lasers. Par exemple, différentes substances peuvent réagir très différemment à l'émission laser, et certaines transitions peuvent être soumises à des règles de sélection régies par la mécanique quantique, de sorte que leur luminescence peut être retardée par des phénomènes tels que la phosphorescence.
En résumé, l'état d'équilibre thermique rend le nombre d'atomes à haute énergie rare, car dans cet état, le nombre d'atomes à l'état fondamental est généralement bien supérieur au nombre d'états excités. Pour rompre cet équilibre et atteindre la majorité des états de haute énergie, une énergie externe doit être utilisée pour piloter le système, par exemple grâce à la technologie de pompage optique. Cela soulève une question cruciale : peut-on trouver des moyens efficaces pour créer et maintenir un état d’inversion de la population dans notre vie quotidienne afin de soutenir des technologies laser plus efficaces ?
