d’atomes dans l’´etat sup´erieurE2 soit plus grand que celui des atomes dans l’´etat inf´erieur E1. C’est l’inversion de population par rapport `a l’´equilibre thermodynamique, o`u le nombre de particules dans l’´etat inf´erieur E1 est plus grand que celui des particules dans l’´etat sup´erieur E2. Cet effet am-plificateur est `a la base du laser.
2.2 Sources lumineuses
Nous examinons seulement quelques types de sources lumineuses. Nous d´ecrirons la lumi`ere ´emise par la densit´e ´energ´etique spectrale Φν(ν). Dans la gamme de fr´equences deν `aν+dν, la puissance ´emise par la source est Φν(ν)dν. La puissance ´emise totale (flux ´energ´etique) est donn´ee par l’int´egrale
Φ =
∞
0
Φν(ν)dν. (2.2)
Le spectre d’une source peut aussi ˆetre donn´e en fonction de la longueur d’onde λ. La puissance ´emise par la source est Φλ(λ)dλ dans la bande de longueurs d’onde deλ`aλ+dλ. Les fonctions de densit´e spectrale sont li´ees par Φν(ν)|dν|= Φλ(λ)|dλ| o`u λ= c ν et dλ=− c ν2dν. (2.3) 2.2.1 Sources thermiques Fig. 2.4 – Rayonnement du
corps noir `a 6000 K. La puis-sance rayonn´ee dans le visible est 47% de la puissance totale.
Fig. 2.5 – Spectre solaire et
raies de Fraunhofer [1]. 2 4 6 8 10 Φν ν(1014 Hz) visible Fig. 2.4. KH G F E D C B A 400 500 600 700 λ(nm) Fig. 2.5.
Nous consid´erons un objet dont les niveaux d’´energie forment des bandes d’´energie (corps solides). L’agitation thermique des atomes d’un tel ob-jet chauff´e (le filament d’une ampoule ´electrique) conduit au peuplement des niveaux excit´es du milieu. Par d´esexcitation, il se produit un rayonne-ment ayant un spectre continu de fr´equences (rayonnement thermique). La puissance rayonn´ee dans le visible n’est qu’une fraction de la puissance rayonn´ee totale (pour une lampe `a filament de tungst`ene cette fraction vaut environ 2%, la plus grande fraction ´etant rayonn´ee dans l’infrarouge).
La figure2.4repr´esente le spectre du rayonnement d’uncorps noirport´e `
a 6000 K. Cette source produit de lalumi`ere blanche(le spectre est continu dans le visible). Le spectre visible du soleil donn´e par un spectroscope `a basse r´esolution est proche de cette courbe (la temp´erature de la photosph`ere du soleil est environ 6000 K).
Avec une meilleure r´esolution, on d´ecouvre que le spectre solaire contient des milliers de raies sombres o`u il y a moins de lumi`ere (cf. figure 2.5). Ces raies sont appel´ees raies de Fraunhofer3, d’apr`es celui qui les a d´ecouvertes en 1814. Les lettres allant de A `a G d´esignent les principales raies d’absorp-raie due `a A O2 B O2 C H D Na E Fe F H G Fe & Ca H Ca K Ca
Tab. 2.1 – Raies de
Fraun-hofer et ´el´ement auquel est dˆu l’absorption.
tion (A et B sont desbandes d’absorptiongroupant de nombreuses raies). Les radiations absentes ont ´et´e pour la plupart absorb´ees par l’atmosph`ere so-laire, mais les bandes d’absorption A et B sont dues `a l’atmosph`ere terrestre (cf. table2.1).
2.2.2 Sources spectrales
Les lampes `a d´echarge `a basse pression (mercure, sodium, n´eon, etc.) pro-duisent un rayonnement ayant un spectre de raies quasi-monochromatiques. Les niveaux excit´es sont peupl´es par suite de la d´echarge. La lumi`ere provient de l’´emission spontan´ee de photons lors de la d´esexcitation des atomes ou mol´ecules. La figure 2.6repr´esente le spectre du rayonnement d’une lampe spectrale `a hydrog`ene atomique. Les raies ont une largeur due en partie `a la nature probabiliste de l’´emission spontan´ee. Une autre cause d’´elargissement est l’agitation thermique des particules qui d´ecale les fr´equences par effet Doppler. La largeur ∆ν d’une raie visible de fr´equenceν0 d’une lampe spec-trale est typiquement de l’ordre du GHz (∆ν/ν0 ∼10−5).
400 500 600 700 Hδ Hγ Hβ Hα Φλ λ(nm)
Fig.2.6 –Spectre d’´emission
dans le visible de l’hydrog`ene atomique. Les quatre raiesHα (rouge), Hβ (turquoise), Hγ (bleu) etHδ (violet) sont dues `
a l’hydrog`ene atomique [2].
2.2.3 Laser
Laser : Light amplification by stimulated emission of radiation. Les lasers les plus utilis´es actuellement sont :
– parmi les lasers `a gaz : le laser h´elium-n´eon, le laser au gaz carbonique, le laser `a argon, le laser `a azote ;
– parmi les lasers `a liquide : le laser `a colorants ;
– parmi les lasers `a solide : le laser au n´eodyme, le laser `a rubis, le laser `
a semi-conducteurs (diode laser).
Propri´et´es du faisceau laser
Le laser permet d’obtenir un faisceau de lumi`ere coh´erente, tr`es intense, quasi-monochromatique et tr`es directive :
– le sens du termelumi`ere coh´erentesera expliqu´e dans la section2.3.1;
2.2. SOURCES LUMINEUSES 45
– tr`es intense : il y a risque de c´ecit´e lorsqu’on re¸coit un faisceau laser directement dans les yeux ;
– quasi-monochromatique : la largeur ∆ν de la raie laser (cf. figure2.7) est assez couramment de l’ordre du MHz dans le visible (∆ν/ν0 ∼ 10−8) ;
– tr`es directive : la divergence d’un faisceau laser est de l’ordre de 10−5 radiant.
Le laser He-Ne
Le laser He-Ne ´emet une radiation visible rouge, de longueur d’onde Φν
ν0 ν
∆ν
Fig.2.7 –Spectre d’un laser.
λ= 632,8 nm. C’est un laser `a gaz compos´e d’une cavit´e remplie d’environ 85% d’h´elium et de 15% de n´eon (cf. figure2.8). Cette cavit´e est constitu´ee d’un tube cylindrique en verre plac´e entre deux lames m´etallis´ees concaves dont l’une, r´efl´echissant `a 95% seulement, permet au faisceau de sortir. Le gaz contenu dans ce tube peut ˆetre excit´e par des ´electrodes.
Fig. 2.8 – Laser He-Ne.
miroir totalement r´efl´echissant faisceau utile miroir transparent ` a 5% tube ´ electrodesLe milieu actif est constitu´e par les atomes de n´eon mais c’est l’h´elium qui joue un rˆole essentiel dans le pompage aboutissant `a l’inversion de po-pulation. Les atomes d’h´elium sont excit´es par une d´echarge ´electrique. Ils sont port´es dans un niveau 2s qui a pratiquement la mˆeme ´energie que le niveau 3s du n´eon. Les atomes d’h´elium excit´es transmettent leur ´energie aux atomes de n´eon par collisions. Les atomes de n´eon retombent ensuite vers des ´etats d’´energie inf´erieurs en ´emettant un rayonnement laser.
Fig. 2.9 – Principe du laser
He-Ne. niveau 2s niveau fondamental h´elium collisions excitation par d´echarge ´electrique niveau 3s niveau 2p niveau fondamental ´ emission laser 632,8 nm n´eon
La longueur d’onde utilis´ee est celle correspondant `a la transition 3s→ 2psitu´ee `a 632,8 nm (lumi`ere rouge).
Imaginons un photon qui se d´eplace dans le tube, parall`element `a son axe vers la droite. Au cours de son trajet, il provoque un certain nombre de fois les ph´enom`enes d’absorption et d’´emission induite. Si le gaz excit´e se trouve dans un ´etat tel que le bilan d’´energie lumineuse pour ce trajet est positif, le flux lumineux se trouvera amplifi´e ; r´efl´echi presque int´egralement par le miroir de droite, il peut subir une deuxi`eme fois l’amplification avant d’arriver sur le miroir de gauche et ainsi de suite. Finalement, l’´etat du tube se stabilise `a un point o`u les diverses pertes d’´energie lumineuse (´energie qui traverse les miroirs et qui est utilis´ee par l’exp´erimentateur, ´energie perdue par diffraction et par ´emission spontan´ee qui a lieu dans toutes les directions) contrebalance l’amplification du tube.