Présentation des niveaux d'énergie
L'ion néodyme (Nd3+)dans la matrice de YAG (Y3Al5O12, grenat d'yttrium et d'aluminium) possède une multitude de niveaux qui peuvent donner différentes transitions laser. La figure E1 repère les niveaux d'énergie en nombre d'onde
exprimés par convention en cm-1. Pour obtenir la longueur d'onde λ (en m) correspondant à une transition entre deux niveaux 1 et 2, il faut écrire :
.
Les niveaux d'énergie de l'ion Nd3+ sont répérés par un ensemble de lettres et de chiffres qui donnent les nombres quantiques associés aux différentes composantes : la lettre correspond au nombre quantique orbital, le chiffre en exposant donne le nombre quantique de spin et la fraction en indice le nombre quantique angulaire. A cause du champ cristallin (effet Stark), les niveaux d'énergie sont éclatés en sous niveaux qui sont repérés par des lettres indicées (Z1...R2).
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Le niveau 4F3/2 est le seul dans lequel les ions néodyme restent longtemps. Le temps de vie de ce niveau est de l'ordre de 230 µs alors qu'il est inférieur à la nanoseconde sur les autres niveaux. Les ions vont donc s'accumuler dans ce niveau et peuvent en descendre par émission stimulée intense.
le temps de vie d'un atome dans un niveau donne le temps moyen de présence dans ce niveau avant désexcitation. On peut montrer que si la population du niveau est N0 à t=0s, elle vaut
, à l'instant t, avec
le temps de vie.
La figure E1 montre une multitude de niveaux d'énergie et donc une multitude de possibilités d'émission et de transitions laser à partir du niveau 4F3/2. Les flèches en rouge donnent les longueurs d'onde sur les transitions lasers les plus utilisées : 1064 nm correspond à la transition qui a la probabilité d'émission stimulée la plus grande. Il existe également une raie dans l'infrarouge plus lointain vers 1320 nm. Enfin, le Nd:YAG possède aussi une transition assez efficace dans l'infrarouge proche, à 946 nm.