Émission stimulée et gain optique

L'émission stimulée permet à un photon d'induire un atome excité à émettre un photon identique, et un milieu présentant une inversion de population transforme ce phénomène en un gain optique net.

Definition

Le processus par lequel un photon incident stimule un atome excité à émettre un second photon identique, et l'amplification nette de la lumière qui en résulte, ou gain optique, obtenue lorsque davantage d'atomes occupent le niveau supérieur que le niveau inférieur.

Scope

Ce sujet couvre la base microscopique de l'action laser. Il inclut les trois processus radiatifs : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée, liés par les coefficients d'Einstein ; l'exigence d'une inversion de population pour une amplification nette et pourquoi elle ne peut pas se produire à l'équilibre thermique ; le coefficient de gain et sa dépendance vis-à-vis de l'inversion, de la section efficace et de la forme de raie ; la saturation du gain à haute intensité ; et les schémas de pompage, notamment les systèmes à trois et quatre niveaux, utilisés pour créer et maintenir l'inversion. Il établit comment un milieu amplifie la lumière de manière cohérente.

Core questions

• Comment l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée sont-elles liées les unes aux autres ?
• Pourquoi l'inversion de population est-elle nécessaire pour le gain optique ?
• Qu'est-ce qui détermine l'amplitude du coefficient de gain ?
• Comment les schémas de pompage créent-ils et maintiennent-ils l'inversion de population ?

Key concepts

• absorption
• émission spontanée
• émission stimulée
• coefficients d'Einstein
• inversion de population
• coefficient de gain
• saturation du gain
• pompage à trois et quatre niveaux

Key theories

Coefficients A et B d'Einstein

Einstein a montré en 1917 que les taux d'émission spontanée, d'émission stimulée et d'absorption sont liés par des rapports fixes ; l'existence de l'émission stimulée découle de l'exigence de cohérence avec le rayonnement thermique.

Inversion de population et saturation du gain

Une amplification nette nécessite plus d'atomes dans le niveau supérieur que dans le niveau inférieur, ce qui n'est réalisable que par pompage ; à mesure que l'intensité optique augmente, elle épuise l'inversion, saturant le gain et stabilisant la sortie laser.

Clinical relevance

Le gain optique est à la base de chaque laser médical, et la même physique de l'émission stimulée, délibérément épuisée, sous-tend la microscopie à super-résolution par déplétion d'émission stimulée (STED) utilisée en recherche biomédicale.

History

L'article d'Einstein de 1917 sur la théorie quantique du rayonnement a introduit l'émission stimulée et les coefficients qui portent son nom. L'idée a été concrétisée sous forme de dispositif dans les années 1950 lorsque Townes et, indépendamment, Basov et Prokhorov ont réalisé l'amplification par émission stimulée de micro-ondes, un travail récompensé par le prix Nobel de physique en 1964.

Key figures

• Albert Einstein
• Charles H. Townes
• Nikolay Basov
• Aleksandr Prokhorov

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

Pourquoi un matériau normal à l'équilibre ne peut-il pas amplifier la lumière ?

À l'équilibre thermique, davantage d'atomes occupent les niveaux d'énergie inférieurs que les niveaux supérieurs, de sorte que l'absorption l'emporte sur l'émission stimulée et la lumière est atténuée ; l'amplification nécessite une inversion de population hors équilibre produite par pompage.

Qu'est-ce qui est particulier à un photon stimulé ?

Le photon émis par émission stimulée correspond au photon stimulant en fréquence, direction, phase et polarisation, c'est pourquoi la lumière amplifiée est cohérente.