Les systèmes spectroscopiques qui "marchent" pour faire un laser

Tous les atomes, ions, molécules, avec leurs différents niveaux d'énergie ne peuvent pas forcément donner lieu à une inversion de population et à un effet laser. Il faut d'abord sélectionner des transitions qui sont purement radiatives (passage des atomes entre les niveaux uniquement par interaction avec la lumière). Les transitions non radiatives sont évidemment à éviter. Il existe également des transitions qui présentent une part radiative et une part non radiative. Dans ce cas, le niveau du haut se vide non seulement par émission spontanée mais également par effet non radiatif. Ceci entraîne une difficulté supplémentaire pour arriver à faire une inversion de population car il est difficile de stocker des atomes sur le niveau du haut dans ces conditions. Les transitions de ce type sont également à éviter.

Il faut ensuite sélectionner des "atomes" présentant un ensemble de niveaux dont la position relative n'est pas quelconque dans l'objectif de réaliser une inversion de population. Par exemple, en choisissant un niveau du bas avec une énergie supérieure au niveau fondamental, on peut limiter fortement le peuplement N1, voire même l'annuler complètement (figure 3). Dans ce cas, il suffit d'apporter un atome dans le niveau du haut pour que l'inversion de population existe.

Il faut également être capable d'apporter efficacement les atomes dans le niveau du haut grâce à un pompage. Quelque soit la nature du pompage (optique ou électrique en particulier), celui-ci correspond à une certaine énergie qui doit pouvoir être transférée aux atomes du milieu. Il faut donc trouver un niveau excité tel que la différence d'énergie avec le niveau fondamental corresponde à cette énergie de pompage. Dans le cas d'un pompage optique, on peut montrer qu'il faut un minimum de trois niveaux pour réaliser une inversion de population. La figure 4 donne l'exemple d'un tel système. On y distingue la transition dite de pompage (entre E1 et E3) et la transition laser (entre E1 et E2). L'objectif est de stocker les atomes dans le niveau E2 via le pompage par absorption d'un rayonnement dit "de pompe" dont la longueur d'onde est inférieure à la longueur d'onde de la transition laser. Pour cela, il faut que le niveau 3 se vide rapidement vers le niveau 2, et uniquement vers celui-là. Cette condition limite le choix des systèmes qui fonctionnent. La figure 4 présente également un cycle idéal pour un atome : il monte dans le niveau 3 par absorption d'un photon issu de la lumière de pompe. Il descend ensuite dans le niveau 2 très rapidement. Il se désexcite enfin par émission stimulée vers le niveau 1. Malgré sa simplicité, ce système n'est pas forcément facile à mettre en oeuvre car le niveau du bas de la transition laser est très fortement peuplé à l'équilibre thermodynamique. Afin de réaliser une inversion de population, il faut déjà commencer par vider le niveau fondamental de la moitié de ses atomes et les mettre dans le niveau 2. Il faut pour cela que le niveau 2 soit capable de stocker les atomes, et donc que l'émission spontanée ne soit pas très probable : ceci est une condition sur le choix du système. Il faut également une énergie de pompage importante. Le premier laser qui ait jamais fonctionné dans le domaine optique était un laser de ce type : le laser à rubis met en effet en jeu 3 niveaux. La formule du rubis est : Cr3+:Al2O3. Il s'agit d'une matrice cristalline d'alumine avec un dopant Cr3+ dont on utilise les niveaux pour réaliser l'effet laser. Le pompage optique est intense via des lampes à décharge.

Un autre exemple de système pouvant donner lieu à un effet laser est le système à 4 niveaux (figure 5). Cette fois, la transition de pompe (pompage optique) et la transition laser se font sur un couple de niveaux distincts (E0-E3 pour la pompe et E1-E2 pour le laser). On choisit un système dont le niveau E1 est suffisamment loin du niveau fondamental E0 pour que le peuplement thermique à l'équilibre thermodynamique soit négligeable. Le système est également choisit de tel sorte que les atomes ne restent ni sur le niveau 3, ni sur le niveau 1. La figure 5 présente un cycle idéal de fonctionnement pour un atome. Contrairement au cas précédent, dès qu'un atome atteint le niveau 2, l'inversion de population est positive et le milieu devient amplificateur. Pour maintenir l'inversion de population, il faut éviter que les atomes ne s'accumulent dans le niveau 1. C'est pour cela que le système doit être choisi de telle sorte que la désexcitation du niveau 1 vers le niveau 0 soit rapide. Un des milieux les plus connus fonctionnant sur ce schéma est le néodyme YAG (Nd3+:Y3Al5O12)

Un dernier exemple de système pouvant donner lieu à effet laser est le système gazeux hélium-néon (figure 6). Dans ce cas, le pompage est électrique. On utilise les transitions du néon pour les transitions laser : il y en a en effet plusieurs, la plus connue étant la transition donnant la couleur 632,8 nm. L'hélium est utilisé comme gaz intermédiaire, capable de transférer l'énergie des électrons au néon, par des collisions. En effet, l'hélium présente la particularité d'avoir deux niveaux excités dits "métastables", c'est à dire que les atomes peuvent y rester très longtemps avant de redescendre vers le niveau fondamental. Les atomes d'hélium sont portés dans les niveaux excités par des collisions avec les électrons. Le transfert d'énergie vers le néon peut avoir lieu facilement car ces niveaux métastables coïncident avec des niveaux excités du néon. Il se produit lors de collisions entre les atomes : On peut résumer le transfert d'énergie par cette équation : He* + Ne -> He + Ne*. Un atome d'hélium excité rencontre un atome de néon dans l'état fondamental et lui transfère son énergie tout en redescendant dans l'état fondamental.

Sur la figure 6, on peut remarquer que les niveaux du bas des transitions laser sont loin du niveau fondamental, ce qui est favorable pour réaliser une inversion de population (pas de peuplement thermique).