Pour qu’il y ait amplification du rayonnement par traversée du milieu atomique, il faut que le nombre d’émissions stimulées par unité de temps soit supérieur à celui des absorptions. Il doit donc y avoir davantage d’atomes dans le niveau E2 que dans le niveau E1: N2>N1: c’est l’inversion de population .
Inversion de population
Ceci est contraire aux lois de l’équilibre thermodynamique
qui donnent:
N2/N1 =
exp-[(E2-E1)/kT] (loi de Boltzmann)
donc N2/N1 < 1 .
Aux températures voisines de l’ambiante ( 300 K) , et pour
une transition de l’ordre de 1 eV, N2/N1
= 1,6 .10-17 .
Lorsque le rayonnement est très intense (c'est le cas des
cavités laser), l'émission spontanée ne concerne plus qu'un
nombre très faible d'atomes ce qui donne: B.u(n) >>A
et on a :
dN2/dt=B.u(n).(N1-N2)
Si N1
>N2 , dN2 /dt
>0 : N2 croît
jusqu’à l’égalisation des populations.
Dès que N1 = N2 , le milieu devient
transparent mais
si N1
<N2 alors N2
décroît.
Il est donc impossible d’obtenir une
inversion de population avec un système à deux niveaux car le
système tend alors vers un état d'équilibre stationnaire.
| L’inversion de population peut être obtenue par
un dispositif dit « de pompage »: Une excitation du milieu par décharge électrique, réaction chimique, courant électrique, lampe flash etc., fait passer les atomes du niveau E1 à un niveau supérieur E3. Les atomes du niveau E3 qui a une durée de vie très courte se désexcitent vers le niveau E2 sans émission de photons (transition "non-radiative"), ce qui le surpeuple par rapport à E1 qui a été dépeuplé: c’est le principe du pompage à trois niveaux. |
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La bande passante du milieu amplificateur est égale à la
largeur de la raie de transition entre les niveaux E1
et E2. La largeur de
raie a pour origine principale l’effet Doppler dans les
lasers à gaz; pour un laser He-Ne à 120 °C ,DnD
(due à l’effet Doppler) est d’environ 1300 MHz alors
que la largeur naturelle de raie Dnn (principe d’incertitude de
Heisenberg) vaut environ 16 MHz .