Les operations de l'energie laser

Comme indiqué précédemment, la quantité de temps passé par un atome ou d'une molécule dans un état excité est essentielle pour déterminer si elle sera stimulée à l' émission et à participer à une cascade de photons, ou perdre son énergie par émission spontanée. Les états excités ont généralement des durées de vie de seulement nanosecondes avant qu'ils libèrent leur énergie par émission spontanée, une période qui ne sont pas assez longs pour subir probablement une stimulation par un autre photon. Une exigence essentielle pour l' effet pointeur laser, par conséquent, est un état à long terme qui est approprié pour le niveau d'énergie supérieur. De tels états existent pour certains matériaux, et sont désignés comme métastables états (voir figure 4). La durée de vie moyenne avant émission spontanée se produit pour un état métastable est de l'ordre de la microseconde à une milliseconde, tout à fait une longue période de temps à l'échelle de temps atomique. Avec des durées de vie de cette longue, les atomes et les molécules excitées peuvent produire des quantités importantes d'émission stimulée. L' action laser est uniquement possible si la population se forme plus rapidement qu'elle ne se décompose dans le niveau d'énergie supérieur, le maintien d' une population plus importante que celle du niveau inférieur. Plus la durée de vie d'émission spontanée, la molécule ou atome est plus appropriée pour les applications laser.

Le maser que Charles Townes a démontré à l'avance du premier laser était importante, car elle a nécessité la création d'une inversion de population pour fonctionner, et donc prouvé à de nombreux physiciens sceptiques qu'une telle inversion pourrait être produite. Son système était un maser à deux niveaux, en utilisant uniquement les niveaux d'énergie supérieurs et inférieurs. Townes a utilisé une nouvelle approche dans son système de molécule d'ammoniac pour produire l'inversion de population - une technique de faisceau moléculaire qui sépare les molécules d'ammoniac excités de molécules de l'état fondamental. Les molécules de l'état fondamental ont été rejetées, et les molécules excitées séparées constituaient la nécessaire inversion de population. D'autres, plus efficaces, des moyens ont été mis au point pour les masers et lasers pratiques nécessitent l'utilisation de trois, quatre, ou plusieurs niveaux d'énergie.

La structure de niveau d'énergie le plus simple fonctionnel pour le fonctionnement du laser vert 10000mw est un système à trois niveaux, qui est illustrée sur la figure 4 (a). Dans ce système, l'état fondamental est le niveau de laser inférieur, et une inversion de population est établie entre ce niveau et un état métastable d'énergie supérieure. La plupart des atomes ou molécules sont d'abord excité à un état de courte durée à haute énergie qui est plus élevé que le niveau métastable. De cet état, ils se désintègrent rapidement au niveau métastable intermédiaire, qui a une durée de vie beaucoup plus longue que l'état d'énergie plus élevée (souvent de l'ordre de 1000 fois plus). Parce que le temps de séjour de chaque atome dans l'état métastable est relativement longue, la population tend à augmenter et conduit à une inversion de population entre l'état métastable et l'état du sol inférieure (qui est continuellement dépeuplée au plus haut niveau). les résultats de l'émission stimulée du fait que plusieurs atomes sont disponibles dans le excité (métastable) état supérieur que dans l'état bas où l'absorption de la lumière serait plus susceptible de se produire.

Bien que le système laser à trois niveaux fonctionne à toutes fins pratiques, comme en témoigne premier laser réglage lunette carabine de Maiman, un certain nombre de problèmes limitent l'efficacité de cette approche. Le problème central se produit parce que le niveau de laser inférieur est le niveau du sol, ce qui est l'état normal pour la plupart des atomes ou des molécules. Afin de produire l'inversion de population, la majorité des électrons de l'état du sol doit être promu au niveau d'énergie très excité, ce qui nécessite un apport important d'énergie externe. En outre, l'inversion de population est difficile à maintenir pendant un temps appréciable et, par conséquent, les lasers à trois niveaux doit être actionné en mode pulsé, plutôt que de façon continue.

Les lasers utilisant au moins quatre niveaux d'énergie à éviter certains des problèmes mentionnés ci-dessus, et par conséquent sont plus couramment utilisés. Figure 4 (b) illustre un scénario à quatre niveaux. La structure de niveau d'énergie est similaire à celle du système à trois niveaux, sauf que, après les atomes tomber du plus haut niveau à l'état supérieur métastable, ils ne tombent pas tout le chemin à l'état du sol en une seule étape. Étant donné que l'inversion de population n'a pas été créée entre l'état fondamental et le niveau supérieur, le nombre d'atomes ou de molécules qui doivent être élevée est considérablement réduite dans ce modèle. Dans un système laser bleu puissant 10000mw à quatre niveaux typique, si seulement un ou deux pour cent des atomes ou des molécules résident dans le niveau laser inférieur (ce qui est au-dessus de l'état fondamental), puis excitant seulement deux à quatre pour cent du total au niveau supérieur sera réaliser l'inversion de population requise. Un autre avantage de séparer le niveau de laser inférieur par rapport au niveau du sol est que les atomes de niveau inférieur vont naturellement tomber à l'état fondamental. Si le niveau de laser inférieur a une durée de vie beaucoup plus courte que le niveau supérieur, les atomes se désintégrer au niveau du sol à une vitesse suffisante pour éviter l'accumulation dans le niveau de laser inférieur. La plupart des lasers conçus sous ces contraintes peuvent fonctionner en mode continu pour produire un faisceau ininterrompu.