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ourquoi « l’inversion de population » est-elle la clé magique des lasers ?
En physique, en particulier en mécanique statistique, l'inversion de population est une condition dans laquelle il y a plus d'atomes ou de molécules dans un système dans un état d'énergie plus élevée que dans un état d'énergie plus basse. Ce concept est crucial dans la science du laser, car la création d’une inversion de population est une étape nécessaire pour le travail laser standard.
Le concept d’inversion de population implique l’interaction de la lumière et de la matière, ce qui est lié au principe de fonctionnement des lasers. Sans un mécanisme capable de mettre le système dans un état d’inversion de population, la génération laser ne peut pas être réalisée.
Équilibre thermique et distribution de Boltzmann
Pour comprendre le concept d’inversion de population, vous devez d’abord comprendre un peu la thermodynamique et la façon dont la lumière interagit avec la matière. Supposons qu'il existe un groupe de N atomes, chaque atome peut exister dans deux états d'énergie : l'état fondamental E1 et l'état excité E2. Lorsque ces atomes sont en équilibre thermique, le rapport entre le nombre d'atomes dans l'état fondamental et dans l'état excité est déterminé par le facteur de Boltzmann selon les statistiques de Maxwell-Boltzmann.
Ainsi, lorsqu'un système est en équilibre thermique, les états de faible énergie seront plus peuplés que les états de haute énergie, qui sont l'état normal du système.
Lorsque T augmente, le nombre d'atomes dans l'état de haute énergie (N2) augmente, mais N2 ne dépassera jamais N1. Pour obtenir une inversion de population, le système doit être poussé dans un état de non-équilibre, ce qui est la clé du fonctionnement du laser.
Interaction de la lumière et de la matière
L’interaction de la lumière avec les systèmes atomiques peut être divisée en trois types principaux : l’absorption, l’émission spontanée et l’émission stimulée.
Absorption
Lorsque la lumière d'une fréquence de ν12 traverse un groupe d'atomes, elle peut être absorbée par les électrons dans l'état fondamental, les excitant ainsi vers un état de haute énergie. Le taux d’absorption est proportionnel à la densité de rayonnement de la lumière et est lié au nombre d’atomes dans l’état fondamental (N1).
Émission spontanée
Un atome dans un état excité reviendra spontanément à son état fondamental, libérant un photon. L'émission spontanée est aléatoire et n'a pas de relation de phase fixe, donc son émission est incohérente.
Émission stimulée de rayonnement
Lorsqu'un photon incident amène un atome excité à abandonner son énergie et à émettre un photon avec une fréquence de ν21, le processus est appelé émission stimulée. Ce qui se passe ici, c'est que les photons interagissent de telle sorte que les atomes excités produisent des photons de même fréquence et de même phase que les photons incidents. C'est la clé du gain laser.
Si la population des états d'énergie supérieure est supérieure à celle des états d'énergie inférieure, c'est-à-dire N2>N1, un rayonnement net amélioré sera obtenu.
Le processus de création d'une inversion de population
Une façon d’obtenir une inversion de population est d’utiliser une méthode indirecte, en transférant les atomes de l’état fondamental à un état excité. Un système laser à trois niveaux en est un exemple. Dans ce système, les atomes peuvent exister dans trois états énergétiques. Si l’énergie atomique de haute énergie décroît rapidement jusqu’au niveau d’énergie intermédiaire pour atteindre une population d’énergie relativement faible, cela conduira à la formation d’un état combiné.
Laser à quatre niveaux
Dans un laser à quatre niveaux, les niveaux d'énergie sont définis de manière plus raisonnable, de sorte que les atomes peuvent éliminer un grand nombre de populations d'état fondamental en peu de temps, obtenant ainsi l'effet d'amélioration laser correspondant. Cela rend les lasers à quatre niveaux plus efficaces que les lasers à trois niveaux et plus courants dans les applications pratiques.
Le développement de la technologie laser lui a permis de jouer un rôle irremplaçable dans des domaines tels que la science, la médecine et les communications, tout cela grâce au mécanisme d'inversion de population.
À mesure que la technologie progresse, comment les systèmes laser évolueront-ils à l’avenir et continueront-ils à promouvoir le développement de la société humaine ?
