Le Laser d'après DTS IMRT 03

Expliquer, sans oublier de faire des schémas, le principe de l'émission stimulé de lumière. Emission spontanée : un atome excité revient à un état de moindre énergie ( par exemple l'état fondamental) en émettant un photon. Celui-ci est émis dans une direction quelconque à une date quelconque. Emission stimulée : On peut aussi favoriser la désexcitation d’un électron en envoyant sur l’atome excité une lumière ( onde électromagnétique) dont la longueur d’onde correspondant à l’énergie de transition entre les deux états électroniques. On appelle ce phénomène l’émission stimulée (ou émission induite). Il y a amplification si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état n' ( atome excité susceptible d'émettre) que dans l'état n (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une « inversion de population ». L’émission stimulée d’un atome ou d’une molécule donne un nouveau photon qui a exactement les mêmes fréquence, phase et direction que le photon incident ; dans un laser, cela se fait sur un très grand nombre d’atomes ou molécules identiques. Un laser émet une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. ( lumière cohérente). Un laser à argon émet une radiation de longueur d'onde l =0,515 micromètre dans le vide. La puissance d'émission est P = 25 mW. Le diamètre du faisceau à la sortie du laser est d = 400 micromètres et son angle de divergence est a=5,4 mrad. Dans quel domaine des ondes électromagnétiques émet ce laser ? Le domaine visible s'étend de 0,400 micromètre à 0,800 micromètre. Démontrer que le diamètre D du faisceau, à la distance L= 40 cm de la sortie, mesure 2,56 mm.   l = d / a = 400 10-6 / 5,4 10-3 =0,074 m D = 5,4 10-3(L-l) = 5,4 10-3(0,40+0,074)= 2,56 10-3 m = 2,56 mm. Calculer l'intensité ( ou puissance surfacique) au niveau d'un écran placé à 40 cm de la sortie. Surface : S =pi D2/4= 3,14 *(2,56 10-3)2/4 =5,147 10-6 m2. Puissance surfacique : 0,25 / 5,147 10-6 = 4,86 104 W m-2. Calculer le nombre de photons émis par ce laser en 10 s. Energie d'un photon de longueur d'onde 0,515 micromètre = 5,15 10-7 m. E = hc/l = 6,63 10-34*3 108 / 5,15 10-7 =3,862 10-19 J Energie fournie en 10 s : 0,250*10 = 2,5 J Nombre de photons émis : 2,5 / 3,862 10-19 =6,47 1018 photons. Décrire le principe de fonctionnement du laser hélium néon. Préciser le pompage, les radiations non radiatives, la radiation laser sur les schémas faisant apparaître les différents niveaux d'énergie. On rappelle que la transition laser s'effectue entre deux niveaux énergétiques du néon. Dans ce cas, le pompage est électrique. Les atomes d'hélium sont excités par des collisions avec les électrons. L'hélium possède deux niveaux excités dits "métastables", c'est à dire que les atomes peuvent y rester très longtemps avant de revenir au niveau fondamental. Ces niveaux métastables de l'hélium coïncident avec des niveaux excités du néon. Le transfert d'énergie vers le néon a lieu facilement lors de collisions entre les atomes. Un atome d'hélium excité rencontre un atome de néon à l'état fondamental ; il lui transfère son énergie et redescend dans l'état fondamental. La transition laser s'effectue entre deux niveaux énergétiques du néon. Un laser à CO2 émet des photons de longueur d'onde l = 10,5 micromètres en mode pulsé. La puissance moyenne d'émission est P =350 W. Les impulsions ont une durée t = 1,2 ms. La fréquence de ces impulsions est de 400 Hz ( 400 impulsions par seconde). Calculer l'énergie mise en jeu par ce laser en 5 s. Energie (J) = puissance moyenne(W) * durée (s) 350*5 = 1,75 kJ.

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