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Lasers – inversion de population et émission stimulée

PhysiquePhysique quantique et nucléaire17–18 ans

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Modélisez un laser hélium-néon (quatre niveaux, pompé par une décharge électrique) et un laser à rubis (trois niveaux, pompé par une lampe flash). Augmentez la puissance de pompe jusqu'à ce que les atomes s'accumulent dans le niveau métastable et que la population soit inversée ; dès que le gain par aller-retour dépasse les pertes dues aux miroirs, l'émission stimulée produit un faisceau cohérent. La vue d'un seul atome montre l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée, et une troisième vue compare le spectre, la phase et l'intensité de la lumière laser avec celles d'une lampe.

Leçon : Lasers : émission stimulée, inversion de population et seuil

Ce qu’elle montre

Un laser amplifie la lumière par émission stimulée : un photon qui passe près d'un atome excité lui fait émettre un photon identique (même longueur d'onde, phase et direction). Pour que l'émission l'emporte sur l'absorption, le niveau supérieur doit compter plus d'atomes que le niveau inférieur (inversion de population). Le pompage porte les atomes à un niveau élevé, d'où ils tombent vite dans un niveau métastable de longue durée de vie. Deux miroirs renvoient les photons et le laser démarre quand le gain par aller-retour dépasse les pertes. Un laser à quatre niveaux comme le He–Ne atteint le seuil bien plus facilement que le rubis. Les valeurs sont indicatives.

Mode d’emploi

Dans l'onglet Laser, choisissez He–Ne ou Rubis, augmentez la Puissance de pompe et modifiez le Miroir de sortie R ; observez les populations des niveaux et cliquez sur Noter le point pour tracer la puissance de sortie en fonction du pompage. Dans Un seul atome, cliquez sur Pomper, puis sur Envoyer un photon pour voir une absorption ou une émission stimulée. Dans Laser contre lampe, déplacez le curseur Distance d pour comparer les intensités.

Paramètres modifiables

  • Vue Laser, Un seul atome, Laser contre lampe
  • Milieu laser He–Ne (gaz), Rubis (cristal)
  • Puissance de pompe 0–100 %
  • Réflectivité R du miroir de sortie 80–99,9 %
  • Distance jusqu'à l'écran 1–1000 m

Questions à explorer

  1. Pourquoi le niveau laser supérieur doit-il être métastable ?
  2. Pourquoi le laser à rubis a-t-il besoin d'un pompage bien plus fort que le laser He–Ne ?
  3. Pourquoi le miroir de sortie laisse-t-il passer un peu de lumière au lieu de tout réfléchir ?

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